晚发射、早抵达？探月轨道奥妙多
来源：中国航天报
7月14日，印度月船3号探测器成功发射，8月23日有望着陆月球。此外，俄罗斯计划在8月11日发射月球25号探测器，预计8月21日着陆月球。俄方探测器发射时间比印方晚了近1个月，为何却有希望更早着陆月面？航天器选择探月轨道，受到哪些因素影响？不同的探月轨道又蕴藏着什么奥妙呢？
“争先恐后”抢纪录
(相关资料图)
7月14日，印度空间组织在萨迪什达万航天中心使用LVM3火箭，将月船3号探测器送入太空。“月船3号”发射质量约3.9吨，包括推进舱、着陆器和月球车。其中，推进舱质量超过2吨，负责将着陆器和月球车送至100公里高度的月球轨道；着陆器重约1.75吨，使用4台800牛变推力发动机；月球车重26公斤，计划在月球南极区域漫游工作。
印度“月船3号”即将装入整流罩
印方宣称，“月船3号”耗资约7300万美元，设计寿命14天，将实现三大目标：验证月表安全软着陆技术、巡视月球、实施月球原位科学实验。
如果没有俄方“近道超车”，印度有望成为第四个实现航天器软着陆月面和首个在月球南极区域着陆的国家，可惜印度探月之路并非“一帆风顺”。
比如，LVM3是印度运力最强的火箭，但其地月转移轨道运载能力只有2吨左右，无法直接将“月船3号”送入地月转移轨道。
于是，“月船3号”首先进入环绕地球飞行的调相阶段，通过5次大椭圆轨道机动变轨，逐步抬升地球轨道的远地点，以便进入地月转移轨道。
麻烦的是，“月船3号”初期入轨不顺：按计划，最初应进入近地点170公里、远地点3.65万公里的椭圆形轨道；由于入轨精度不足，“月船3号”进入了近地点138公里、远地点3.63万公里的轨道，近地点高度比预期低32公里，似乎不太安全。
印度空间组织为此紧急进行了一系列变轨调整，所幸经过5次变轨机动后，“月船3号”的轨道高度恢复正常，正在为进入地月转移轨道做准备。如果探测器在8月23日如期到达月球上空，并择机登陆，整个奔月之旅将持续40天。
印度“月船3号”探月轨道示意图
不过，在俄罗斯航天人士眼中，“月船3号”属于“起了大早，赶了晚集”。俄罗斯月球25号探测器计划于8月11日发射。自1976年“月球24号”升空后，俄罗斯时隔半个世纪再次探月，同样计划在月球南极区域着陆，寻找水冰痕迹，开展月球极地散逸层的尘埃等离子体研究等。
此外，“月球25号”的另一个重要目标是对俄罗斯深空探测和探月工程体系“练兵”，从而整合航天技术资源，培养和锻炼人才队伍，为后续月球探测乃至建立月球基地奠定基础。
得益于俄罗斯火箭更强的运载能力，加上“月球25号”的发射质量只有1.75吨，探测器将直接进入地月转移轨道，预计8月17日左右绕月运行，8月21日有望落月。这样看来，印度与俄罗斯将奋力争夺首次着陆月球南极区域的世界纪录。
俄罗斯“月球25号”在东方航天发射场开展测试
探月路径巧妙选择
通过简单对比印俄两国此轮探月任务，可以发现：两者的探月路径及其影响差别很大。
事实上，月球探测包括硬着陆、软着陆、月球环绕等模式，结合具体任务，探月飞行轨道大致由互相衔接的5段组成：发射、调相、地月转移、环月飞行以及着陆月球。
其中，地月转移轨道非常关键，堪称探测器从地球飞向月球的最便捷路径。这条轨道的近地点、远地点分别与探测器绕地球运行的停泊轨道、月球轨道相切，可以让探测器飞行大约4天后，抵达近月点，然后“刹车”进入月球引力场，被月球捕获。
纵览各国探月活动，探测器主要选择两条路线。其一是定相多圈入轨，即由火箭将探测器送入环地球大椭圆轨道，然后探测器自行加速进入地月转移轨道，再飞往月球。这种选择的“潜台词”一般是火箭运载能力不足，多用于无人探月任务。
据公开资料显示，我国嫦娥一号探测器就选择了这种奔月方式。长征三号甲火箭将探测器送入近地点200公里、远地点5.1万公里的环地球大椭圆轨道，然后探测器实施4次变轨，进入地月转移轨道，飞行100多个小时后，到达近月点。
不难看出，这种模式下，探测器有多次机会调整轨道，尽量消除发射和其他因素造成的误差。每次变轨启动时，探测器相对地球的位置基本不变，便于地面团队监控探测器变轨过程。不过，这种模式无疑使探测器的飞行时间长，不利于载人探月活动。
其二是直接入轨，即由火箭直接将探测器送入地月转移轨道。比如，我国嫦娥二号探测器由长征三号丙火箭发射，直接进入地月转移轨道，抵达月球时间显著缩短。此后，我国历次探月活动均选择这种模式。
选择这种方式可以缩短探测器飞行时间，节约燃料，但对测控网分布、指挥通信和火箭运载能力、入轨精度均要求很高。理论上，如果探测器在进入地月转移轨道时发生1米/秒的速度误差或1公里的高度误差，到达月球附近时，位置误差可达数千公里。
在美国“阿波罗计划”中，载人飞船也是直接进入地月转移轨道，但选择了“8”字形的所谓“自由返回轨道”，以便提高任务可靠性：如果飞船抵达月球时减速效果不佳，可以自动返回地球。
这种轨道设计在“阿波罗13号”任务中发挥了重大作用。当时飞船在太空中发生了一系列故障，氧气供给不足，主发动机停机。航天员们在地面控制中心的帮助下，成功将飞船“推”到自由返回轨道，安全返回。
轨道优化前景广阔
地月转移轨道是地月之间飞行的最短路径，但对航天器入轨速度的要求很高。无论是直接发射，还是定相多圈入轨，探测器想要进入地月转移轨道，都需要具备约500米/秒的速度增量，能耗相当可观。
1990年，日本发射飞天号月球探测器，首次采用所谓“弹道月球转移轨道”，摸索出能耗较低的奔月轨道。
当时，先由火箭将探测器发射到月球附近，再借用月球引力辅助，使其“南辕北辙”，飞到日地连线上距地球约150万公里处，再借助太阳引力，改变探测器速度方向，减少探测器入轨所需的速度增量。
这种探月入轨方式耗时较久，往往需要3～4个月，对测控要求也较高，更适合携带燃料不多的小型月球探测器。2004年欧空局SMART-1探测器、2022年美国顶石探测器和韩国享月号探测器都采用了这类轨道。
近年来，各国探月大潮涌动，探索设计新型探月轨道是大势所趋。美国“阿尔忒弥斯-1”任务中，猎户座飞船开展无人绕月飞行测试，进入距月面6.4万公里的大幅值逆行轨道。这种地月空间轨道具有长期稳定、入轨能量低的特点，未来有望运行载人月球/火星任务的中转站。
据公开报道称，我国嫦娥五号轨道器完成支持月球采样返回任务后，开展了一系列拓展试验，包括轨道测试任务，曾进入环月大幅值逆行轨道。未来，类似轨道与自由返回轨道相结合，有望显著提升载人飞船和无人探测器的任务可靠性。
总之，设计探月轨道，需要基于任务具体情况，包括运载、测控、探测器自身机动等能力，综合考虑探测器飞行规划、燃料预算等。而在探测器研制阶段，就要考虑搭载分系统的需求，分析轨道特性，优化飞行过程，完成轨道初步设计，还要考虑到故障预案及扩展任务的可能性。
探月任务是当前国际航天热门项目，但不少探测器功亏一篑，证明其中仍蕴含着高风险、大挑战。人类探索太空的步伐不会停歇，相信将有更加优化的轨道被探月航天器探索出来，更好地服务人类。