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嫦娥1号的奔月之路
（2007年12月18日 15:27:18）
来源：《中国航天》 2007年第11期
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□作者: 天 兵
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5 特别地月大转移
在经过调相轨道的4次变轨后，嫦娥1号进入飞向月球的地月转移轨道阶段。它采用的是最小能量的转移轨道。在飞行过程中，考虑采取2-3次轨道修正：第1次修正在进入地月转移轨道后24小时内，第2次修正在距离到达近月点24小时内。在实际发射过程中还可根据实际情况增减修正次数(实际上只用了1次)。
在整个嫦娥1号飞行轨道的设计过程中，地月转移轨道的设计最为特别。因为在以往的人造地球卫星轨道设计中，只需考虑地球对卫星的引力作用，可以使用简单明了的关系式得到卫星的运动方程，即使考虑其他天体的引力作用、高层大气的阻力作用效果，由于这些作用的影响很小，根据多年的工程经验，可以通过一些简化和平均的方法，附加一些微小的调整量就可以解决大部分的轨道设计问题。
但是设计地月转移轨道则与此不同，必须同时考虑地球和月球的引力作用影响。当嫦娥1号在近地轨道飞行时，主要受地球引力的作用，月球引力的作用非常微弱；随着地月转移飞行过程的进行，嫦娥1号离地球越来越远，地球的引力不断减弱。而月球的引力不断增强，飞行轨迹也逐渐偏离最初的椭圆形轨道：当嫦娥1号进入离月球6.6万公里远的半径范围内时，起主导作用的变成月球的引力，而不是地球的引力。这时嫦娥1号的飞行轨迹完全变化，不再是围绕地球的椭圆，而变成围绕月球的双曲线轨道，而且轨道面也慢慢变化，不在同一个平面里。目前。还没有一种简单的方法可以轻易描述这个过程，从理论上讲空间中存在无数可能的轨道，而其中消耗能量最小的轨道只有一条。轨道设计正是要找出这样的一条轨道。
为了解决这一难题，在设计地月转移轨道时采用了圆锥拼接法，即地月转移轨道和调相轨道分段设计，再进行拼接。先假定将轨道分为地球运行段和月球运行段，然后分段逐次逼近，再经过不断的修正，最终找到一条唯一的地月转移轨道。
因此，嫦娥1号进入地月转移轨道入口的时机以及运动状态，特别是位置和速度，包括速度的大小和方向等因素都是非常关键的。如果时机不对，嫦娥1号将找不到月球从而无法和月球相会；如果嫦娥1号的速度过大，它将错过月球，无法进入月球引力作用的范围；但如果速度过小，嫦娥1号就会像中途抛锚的汽车，无法摆脱地球引力场的束缚到达月球。总之，在经过调相轨道运动之后，嫦娥1号必须到达一个事先经过仔细设计和审核的位置，并具备所要求的速度大小和方向，才能沿着地月转移轨道到达月球。
为了保证得到的轨道的正确性，我国科研人员用计算精度较高的数值积分方法对所得到的地月转移轨道的结果进行了复核，并请国内多家从事航天器轨道动力学和天体动力学的专业人士对设计结果进行了验证。
6 投入月球的怀抱
经过5天的旅行，在即将进入月球轨道之际，即在11月4日进入月球捕获阶段时，嫦娥1号又将面临一次挑战。它必须顺利地被月球引力捕获，才能成为月球的环绕卫星，实现对月球的探测。为了使嫦娥1号的运行轨道变为所设计的使命轨道，必须进行减速机动，一旦未能按要求完成减速制动过程来实现月球捕获，嫦娥1号就将沿着以月球为焦点的双曲线型轨道飞离月球。由于月球的引力作用，这条双曲线型轨道将错过地球，使嫦娥1号离开地球和月球，飞进遥远的深空，这就意味着嫦娥1号的这次绕月之旅失败。为此，专家们对月球捕获过程进行了大量研究，制定了详细的控制方案和故障对策，设计采用了在近月点3次减速机动的方案，依次把嫦娥1号的轨道周期变为12小时(速度为2.1公里/秒)、3.5小时(速度为1.8公里/秒)和127分钟(速度为1.6公里/秒)，以确保嫦娥1号能够顺利完成月球捕获。
在调相轨道和月球捕获轨道之所以要进行多次变轨而不是一步到位，是因为一方面是能通过多次变轨在时间上腾出精确调整的余地；另一方面也可以节省燃料，减少在大的速度增量变化中引起重力损耗等影响。另外，发动机一次速度增量太大，也会使发动机承受的负荷很重，潜在风险大于多次变轨。
在11月7日进入月球轨道后，为了对全月面进行探测，特别是对月球南北两极的探测，科学家们为嫦娥1号设计了一条相对月球赤道的倾角为90度的极月轨道，即嫦娥1号的环月工作轨道面垂直于月球的赤道面。从遥感的角度考虑，为了使得沿整个轨道所获得的遥感图像具有相同的分辨率，嫦娥1号运行的极月轨道为圆轨道。
7 环月运行需多高
但是如何使嫦娥1号在最佳的飞行高度工作呢?是不是离月面越近越好呢?绕月探测卫星离月面越近，其上科学仪器的分辨率越高，但由于月球引力的特殊性，它对绕月探测卫星进入月球轨道时的误差要求也越高，并且在进入月球轨道后的轨道维持压力也较大。假如绕月探测卫星运行在离月面100公里高的轨道上。如果没有轨道维持，那么它在半年内就可能坠落月面，但如果绕月探测卫星运行在离月面200公里高的轨道上，则即使不进行轨道维持，也能运行很长时间。而且对月球的观测面积还较大。因为“站得高，看得远”。所以，在能满足完成探月任务的前提下，我国最终确定的嫦娥1号环月工作轨道高度约为200公里，运行周期约为127分钟。
在这一轨道运行的嫦娥1号。其所携带的CCD立体相机1个月能对全月球(极区除外)覆盖一遍，而星上的微波探测仪1个月可对全月球覆盖2遍，星上的干涉成像光谱仪2个月能对全月球(极区除外)覆盖1遍。
在200公里高月球轨道运行的嫦娥1号也会受到月球轨道摄动的影响。月球轨道摄动主要源自于复杂的月球引力场。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。由于月球和地球的引力特性不同，所以嫦娥1号的轨道控制与地球卫星也有较大不同。
通过计算和分析可知，嫦娥1号的环月飞行轨道在1年内将下降约100公里，因此在正常情况下，50天左右进行一次轨道调整，就可以将高度保持在200+25公里的范围内，使嫦娥1号保持在环月轨道上正常运行。
8 选择良辰美景出征
要使嫦娥1号精确入轨，仅仅依靠足够的速度也是不够的。在进行轨道设计的同时还要选择好嫦娥1号的发射窗口。
发射窗口是指运载火箭发射比较合适的一个时间范围，即允许运载火箭发射的时间范围。它是根据天体运行轨道条件、航天器的轨道要求、航天器的工作条件要求、地面跟踪测控通信、气象要求等多种限制条件经综合分析计算后确定的，其范围的大小叫做发射窗口的宽度。窗口宽度有宽有窄，宽的以小时计，甚至以天计算。窄的只有几十秒钟，甚至为零。
由于每个航天器承担的任务不同，它们对发射窗口提出了种种要求和限制条件。而这些要求有时又互相矛盾。因此选择什么时间发射就必须考虑各方面的要求，经综合平衡后选择一个比较合适的发射窗口。影响和限制发射窗口的主要因素有：地面观察的要求。太阳照射地面目标的光照条件要求，航天器上太阳电池翼正常工作对太阳光照射星体的方向要求。航天器上姿态测量设备对地球、航天器、太阳几何关系的要求。航天器热控制对太阳光照射星体方向的要求。航天器返回地面时的光照及气象条件的要求，航天器处于地影时的轨道弧段要求和时间长短要求，航天器轨道精度的要求和目标天体与地球相对位置的要求等。人造地球卫星、载人航天器和空间探测器对发射窗口的要求又各有特点。其中各种空间探测器发射窗口主要取决于目标天体的位置，发射必须在地球与目标天体处于一定相对位置范围内进行。如果错过了这段时间，则要调整火箭的发射方位角或飞行路线。
嫦娥1号的轨道采用按最小能量设计的轨道，根据地月的运动规律，它每月只有1—2次的发射机会。若考虑到轨道光照条件对电源子系统的影响。对上述2次发射机会还要进一步限制。
为了选择最优的位置进入环月科学探测轨道，并考虑到包括日一地一月的相互运行关系，嫦娥1号的光照角和运行姿态，地面测控和数据传输的条件等在内的各种因素，使这些因素得到最大的优化，我国科研人员设计了一条标称轨道，也就是在1个月内只有1次机会进入环月轨道。在这一次发射的时间段中，最理想是按时发射，这个时间称为零窗口。
在零窗口前或后发射都将影响到升空后嫦娥1号的轨道调整。如果它推迟进入地球转移轨道，就要额外增加中途修正的速度增量。若偏离零窗口的时间太长，轨道调整的难度就越来越大，消耗的燃料也就越来越多，最终甚至无法调整回归。因此发射时刻可延迟多少，即发射窗口的大小，取决于中途修正速度增量的允许范围。根据推进剂估算结果和运载方的要求，每次发射窗口大小为35分钟。
对应于每次发射机会的发射轨道，嫦娥1号初始环月姿态、轨道光照条件以及测控条件均不相同。经过对2007年所有的发射机会及其影响进行分析之后，我国最终选择2007年10月24-26日作为发射窗口。
针对嫦娥1号的轨道设计。可以接受的发射时间最好在零窗口及偏离后的35分钟之内。一旦错过，只能等待其他月份的某一天的另一个35分钟。同时嫦娥1号发射要求发射场的气象条件极其苛刻，对温度、湿度、平均风速和高空风速等都有严格要求，并要求距发射中心30～40公里范围内无浓烟、雨和雷电，能见度不小于20公里。若发射窗口不具备发射条件。必须更改发射计划。为确保发射窗口，必须要提前1～2天发射，让嫦娥1号环绕地球多运行1～2天，只有这样嫦娥1号才能按零窗口要求飞奔月球。
这次发射是在2007年10月24日18点05分，即零窗口发射，这比18点40分发射可以节省120千克燃料。由于是在24日发射，所以嫦娥1号在环绕地球的周期为24小时的轨道多运行了2天。
简言之，虽然嫦娥1号选择了一条万全而经济的奔月之路，但这条路并不平坦。而是崎岖艰险。然而它使嫦娥1号在太空中留下了自己独特的脚步，给我国整个探月系统工程带来了宝贵的财富。
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文章作者:天 兵
责任编辑:skylook
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