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嫦娥1号的奔月之路
（2007年12月18日 15:27）
来源：《中国航天》 2007年第11期
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□作者: 天 兵
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从地球到月球不但距离遥远，将近40万公里，而且月球自身还在围绕地球进行公转，平均运动速度1.023公里/秒。因此，如何让嫦娥1号与运动着的月球完成精确的“约会”，在工程上是一个非常困难的事情，搞不好绕月探测卫星不是飞不到月球，就是掠过了月球而没进入月球轨道，或者撞到月球表面上粉身碎骨。由此可见，嫦娥1号飞行轨道的设计是整个工程中一项必须突破的关键技术。
那么，要使绕月探测卫星进入月球轨道。其速度应该达到多少呢?有人可能认为应达到11.2公里/秒的第二宇宙速度，实际上只要使初始速度大于10.6公里/秒，绕月探测卫星就可飞向月球。这是由于月球本身处在地球引力范围内。当绕月探测卫星的飞行轨道在离月球6.6万公里之外时，主要受地球引力作用，是相对地球的椭圆轨道；在离月球6.6万公里之内以后，主要受月球引力作用，是相对于月球的双曲线轨道。
1 条条大路通月宫
目前，把绕月探测卫星从地面发射到月球轨道有多种方式，常用的有4种：第1种是用运载火箭先将绕月探测卫星送入近地球的圆轨道上，然后靠绕月探测卫星自行加速进入地月转移轨道到达月球：第2种是用运载火箭将绕月探测卫星送入环地球飞行的大椭圆轨道，然后通过绕月探测卫星在椭圆轨道的近地点处加速来进入地月转移轨道，最终到达月球；第3种是用运载火箭将绕月探测卫星送入地月引力平衡点处，然后在地月引力平衡点处使绕月探测卫星加速进入月球轨道：第4种是用运载火箭把绕月探测卫星直接送入地月转移轨道从而飞向月球。
以上4种方式在过去的探月活动中都使用过，它们各有特点。根据嫦娥1号的使命和性能以及我国现有运载火箭的能力，经过精确的分析和计算，为了用最小的代价实现奔月过程，我国绕月探测卫星选择了第2种轨道飞行方式，即由运载火箭将嫦娥1号首先送入环绕地球的大椭圆轨道，然后由嫦娥1号在该轨道的近地点处不断加速，进入地月转移轨道，到达月球后减速成为月球卫星。
飞往月球需要多长时间呢?事实上，不同的月球探测器飞抵月球的时间是不一样的。地月距离最近时为363300公里，最远为405500公里。但从地球发射的载人飞船或月球探测器都不会走直线距离，而是按大椭圆轨道飞向月球。
1959年1月2日发射的人类第一颗月球探测器——苏联的月球1号是从地球直接飞往月球并从月球上空近6000公里处飞过，用了不到2天的时间。
首个携航天员登上月球的阿波罗11号飞船在1969年7月16日发射后先进入环绕地球飞行的停泊轨道，然后再经过70多小时的地一月飞行后进人月球轨道，并且在发射后80小时11分进行环月飞行，102小时45分2名航天员驾驶登月舱在月球表面着陆。阿波罗11号飞船从火箭点火升空到着陆月球用了4天多时间。
2007年9月14日上天的日本“月女神”的具体发射程序是：发射后“月女神”先进入近地点281公里、远地点232805公里、倾角30.4度的地球大椭圆停泊轨道；发射后第15天，“月女神”探测器点火进入地一月转移轨道，途中该探测器进行2次轨道修正，以保证精确进入环月轨道；发射后第20天，“月女神”进入—个近月点120公里、远月点13万公里、倾角为90度的初始环月轨道；发射后第24天，“月女神”将减速下降，使近月点降为100公里，远月点高度降为2400公里，并释放“中继星”子卫星；发射后第28天，“月女神”将再次减速下降，使远月点高度降为800公里，近月点高度不变，并释放“干涉测量星”子卫星；发射后第37天，安装有大部分科学有效载荷的“月女神”主卫星调整运行至距月球100公里的圆形极月轨道上，完成为期1年的探测任务。
到达月球耗时最长的要算欧洲空间局的斯玛特1号月球探测器，它采用了一种称为离子推进系统的先进技术，经多次变轨，在太空中巡游了一年零两个月才进入环月轨道。
我国嫦娥1号探测器在飞往月球的过程时，先由长征3号甲运载火箭送人环绕地球运行一周半的16小时的地球轨道，经过轨道机动进入运行周期24小时的轨道，然后通过再次机动进入48小时轨道，在此过程中逐渐抬高轨道高度，最后离开地球进入奔月轨道并飞往月球。飞行110多个小时后到达近月点。并且还要经过3次减速机动后，最终进入200公里的圆轨道，所以嫦娥1号飞抵月球的时间大约需要12天。
2 崎岖艰险知马力
嫦娥1号绕月探测卫星的显著特点是在奔月的过程中需要经历近地加速、中途修正和近月减速预计共10次(实际上为8次)变换飞行轨道，轨道控制量比较大。为了保证卫星进入环月轨道，要求变轨控制可靠、及时和准确。
它在进人环月轨道后，由于月球的重力加速度为地球的1/6。同时其重力场分布不均匀，存在一些质量聚集的“质量瘤”，而在这些质量密集的地方，其重力加速度会加大，因此嫦娥1号环绕月球的飞行轨道会在引力场的作用下发生变化。为了保证探测任务的顺利完成，需要对它的运行轨道进行控制，实现环月轨道保持。由于引力特性的不同，轨道控制与地球卫星也有较大不同。
嫦娥1号靠自带变轨发动机来变换飞行轨道。环月轨道保持、控制量较小的中途修正和3次近月点制动后的轨道修正使用推力器组合来完成。嫦娥1号飞行的控制主要依赖于地面测控。卫星变轨前，地面测控系统测量和确定各阶段自由飞行轨道参数，保证卫星点火位置和速度预报精度。变轨过程中由星上的加速度计测量发动机点火过程中飞行方向的速度增量，以保证轨道控制精度。
在每次变轨之前由地面根据实测轨道计算制导控制参数，并提前注入控制计算机。控制计算机根据延时指令，在预定时刻开启变轨发动机。随后控制计算机根据地面注入的制导控制参数和加速度计输出，实时计算关机方程，向发动机发出关机指令。
嫦娥1号最后一次近地点变轨和第一次近月点变轨是关键性变轨，没有备份窗口。因此对这两次点火来说，窗口是唯一的。即使因为发生故障造成延误，也必须实施。为此，在轨控的设计上，对陀螺故障、10牛推力器故障、计算机故障设计了相应故障处理措施，以保证轨控的可靠性。
3 优美奔月三步曲
发射嫦娥1号的长征3号甲运载火箭，是我国现有能力最强的运载火箭系列中的一员。它能为嫦娥1号提供10.3公里/秒的速度。进入一条近地点为200公里，远地点51000公里的大椭圆轨道，即超地球同步转移轨道。但是这还不够，为了进入能到达月球的轨道，嫦娥1号的速度必须达到至少10.6公里/秒，这就要求嫦娥1号还要能给自己再增加600米/秒左右的速度。
由于在近地点一次加速过程中实现的加速量较大，所以实现起来比较困难。又因为我国是第一次进行如此长距离的奔月飞行，所以如果在发射和加速过程中出现偏差，很可能造成嫦娥1号错过和月球的“约会”。甚至无法沿着椭圆形的轨道飞回地球，而飞进茫茫的太空，永远消失在我们的视野里。为此，经过精心的分析和计算，同时考虑到降低其他风险带来的不利因素，我国嫦娥1号采用了一个在地球轨道3次近地点加速的轨道调整方案，即采用调相轨道，目的是使得嫦娥1号在超地球同步转移轨道运行时能量进一步增大，运行速度不断增大，从而使嫦娥1号的远地点高度变为约38万公里的地月转移轨道。这段调整过程历时5-7天(与具体的发射日期有关，现由于是24日发射，所以为7天，如果是10月25日或26日发射，调整过程就将历时6天或5天)，在这5-7天里，能有充分的时间对嫦娥1号的飞行状况进行监控，以保证它进入一条正确的轨道。
此后，嫦娥1号还要用5天时间沿着一条偏心率很大的椭圆形轨道飞向月球。它从最初的10.6公里/秒的速度飞离地球开始，随着与月球的距离越来越近，其相对于地球的速度越来越慢，相对月球运动的速度约为2.4公里/秒。而此时由于月球的引力作用还不够强大，比将嫦娥1号“拴”在自己身边所要求的1.6公里/秒速度要大，所以如果不减速到一定程度，嫦娥1号会一去不回头，离开月球和地球，漫游在更加遥远的深空里。为了使嫦娥1号被月球“俘获”，还必须主动减小飞行速度。设想通过3次减速过程，使嫦娥1号相对月球的速度减小约800米/秒，最终能够实现在距离月球表面约200公里的高度上稳定运行。
为使嫦娥1号在1年的飞行过程中，能够飞过月球上的每个角落，对月球进行详细的探索，嫦娥1号的轨道将通过月球的南极和北极。这样一来，尽管嫦娥1号运行轨道的方位基本固定不变，但由于月球自身的自转运动，每28个地球日左右转动一圈，因此用28天左右的时间，嫦娥1号上的科学仪器就能对月球进行全面的探测。
在设计上述轨道的过程中，还要考虑飞行过程中嫦娥1号的光照情况、相对于地面位置固定的跟踪和通信设备的可见性等很多问题。经过反复的计算、权衡。最终才设计出了现在的嫦娥1号飞行轨道。
至此，不难看出，嫦娥1号奔月也要转几次路，才能到达月球附近的轨道。嫦娥1号整个飞行过程要经历调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道3个阶段。
4 不断变轨为加速
在调相轨道段。嫦娥1号由长征3号甲火箭送入轨道倾角为31度、近地点200公里、远地点51000公里、周期约16小时的初始大椭圆轨道后，要经历为期约7天的调相轨道飞行过程。在这一过程中将利用自身的1台490牛发动机(该发动机实际启动点火工作次数能力可超过80次以上，并且仍能工作，保险系数很大)进行一系列的变轨，其目标是将轨道的能量进一步增大，使其变为远地点高度约40万公里的地月转移轨道。在对卫星的运行轨道实施变轨控制时，一般选择在近地点和远地点完成，这样做可以最大限度地节省卫星上所携带的燃料。具体步骤是：
嫦娥1号在初始大椭圆轨道上运行大约1天后，为了有利于近地点的测控，先利用490牛发动机于10月25日在其运行到远地点时成功进行了第1次加速变轨，目的是把嫦娥1号近地点高度由200公里提升到600公里，以增大近地点处的测控弧段。
10月26日，当嫦娥1号到达近地点时，又通过星载推进器成功进行了第2次加速，这也是第1次近地点加速，目的是使嫦娥1号的远地点高度由5.1万公里提高到7.1万公里，轨道周期也由16小时变为24小时左右。
又经过3天飞行后，嫦娥1号于10月29日在近地点进行第2次加速，目的是使嫦娥1号的远地点高度由7.1万公里提高到12万公里，同时使得轨道周期变为48小时左右。
最后一次变轨是在2天后的10月31日。它很关键，因为时机是唯一的。这次在近地点的加速过程可使得嫦娥l号的速度最终提高到10.6公里，秒，达到进入地月转移轨道所要求的人口速度，飞行轨道的远地点能接近40万公里，从而进入奔向月球的轨道。正是这4次加速，让嫦娥1号卫星有了足够的速度能够进入下一个轨道阶段。
通过嫦娥1号的3次近地点机动，逐步增加了近地点的速度，从而使远地点高度逐步增加，最终到达地月转移轨道的人口。这很像铅球或铁饼运动员在扔铅球或铁饼时先转几圈逐步加速后再扔。从而扔得比较远。采用这种调相轨道的其他好处是可有多次机会调整轨道，消除由于发射时的误差和其他因素造成的误差，并且每次进行变轨时，相对于地球的位置基本不变，因此能在固定的位置布置测量船，对嫦娥1号的变轨过程进行监控。
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