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近期，美國宇航局發射了“阿爾忒彌斯計劃”框架下的首顆探月衛星。它將首次嚐試一條特殊的繞月軌道，卻在飛行途中一度失聯，引發關(guan) 注。其實，航天器選擇的探月軌道種類不少，可以滿足不同的任務需求。隨著人類對月球探測和開發逐漸進入高潮，探月軌道的選擇、設計、維持也越來越重要。那麽(me) 選定探月軌道的背後有哪些依據？不同探月軌道各自有何優(you) 勢呢？

為(wei) 月球空間站量身打造

6月28日，美國Capstone衛星搭乘電子號火箭，在新西蘭(lan) 發射升空。這顆立方體(ti) 衛星重約25公斤，將開展月球自主定位係統技術操作和導航試驗，主要目的是測試未來繞月空間站的運行軌道。具體(ti) 來說，它計劃約4個(ge) 月後抵達月球附近，進入近直線暈軌道，開展測試工作。

美國立方星奔赴月球示意圖

近直線暈軌道設計非常精巧，航天器不是繞月工作，而是繞地月L2點運行。地月L2點位於(yu) 地球到月球的延長線上，距月球6.5萬(wan) 公裏，航天器在那裏受到的地月引力達到平衡，用較少燃料即可保持位置。

不過，受外力影響，航天器難以穩定地停留在地月L2點，且被月球遮擋，不能與(yu) 地球直接通信。對此，科學家專(zhuan) 門為(wei) 航天器設計了暈軌道。

暈軌道形狀複雜，是非共麵的三維非規則曲線，航天器控製難度大。從(cong) 地球看去，航天器的運行軌跡就像光暈一樣，軌道由此得名。

暈軌道種類不少，航天器可以根據任務需求專(zhuan) 門設定。據公開資料顯示，在“嫦娥四號”任務中，鵲橋中繼星進入了一條Z向振幅約1.3萬(wan) 公裏的暈軌道，幫助“鵲橋”既能看到地球又能看到月球背麵，成功建立起通信連接，為(wei) 人類探測器首次月背軟著陸奠定了堅實基礎。

在“阿爾忒彌斯計劃”中，門戶繞月空間站扮演著非常重要的角色。它是未來的通信中繼站、月表探測中轉站，還是往返火星和深空的接力站，又是深空探測技術試驗場所。美國宇航局對其運行軌道提出了很多要求，包括要有助於(yu) 登月、方便航天員與(yu) 貨物往返、易進入深空、便於(yu) 空間站的組建與(yu) 測控等。

未來美國門戶繞月空間站想象圖

這麽(me) 多要求如何實現？科學家特意設計了一條近直線暈軌道，近月點約4000公裏，遠月點約75000公裏。

一方麵，從(cong) 這裏向地球軌道和月球軌道的往返都僅(jin) 需要較少的速度增量，空間站軌道維持的代價(jia) 也較小。

另一方麵，該軌道的熱環境穩定，便於(yu) 空間站長期運行。軌道麵基本垂直於(yu) 地月連線，完全無遮擋，與(yu) 地球通信十分容易，並較好地覆蓋了月麵極區，有利於(yu) 開展月球南極登陸任務。

此前，這條特殊軌道從(cong) 未有航天器使用，需要選擇特定的發射日期，掌握精確飛行控製技術。Capstone衛星的主要任務之一就是演示到達該軌道所需的機動，並用6個(ge) 月收集測試數據，為(wei) “阿爾忒彌斯計劃”探路。

探月軌道花樣多

月球軌道是非常重要的空間資源，對於(yu) 月球探測與(yu) 資源開發都具有重大價(jia) 值。1966年4月3日，蘇聯月球10號探測器首次進入環月軌道。從(cong) 此，探測器不再隻是利用掠過月球的短暫時機抓拍，而是可以穩定地繞月飛行，持續獲取影像，並不斷提升探測分辨率。

根據航天器繞行中心的不同，月球軌道可分為(wei) 繞月軌道、地月平衡點附近軌道、地月循環軌道。

繞月軌道以月球為(wei) 中心，包括低月球圓軌道、高月球圓軌道、月球大橢圓軌道等。

低月球軌道在探月任務中最常用，距離月麵100～300公裏，航天器可以實現月麵高分辨率成像和高精度探測，也是月球著陸任務的重要過渡軌道。我國“嫦娥一號”在200公裏高度圓軌道運行，我國“嫦娥二號”、日本“月亮女神”、印度“月船一號”都是在100公裏高度圓軌道運行。

日本“月亮女神”探月效果圖

值得注意的是，月球引力場比地球複雜得多，如果探測器軌道低，不久就會(hui) 從(cong) 圓軌道演變成橢圓軌道。

200公裏高度的月球極軌圓軌道探測器運行2個(ge) 月，近月點高度會(hui) 下降約20公裏，探測器需要消耗燃料，定期維持軌道高度，否則就要一頭紮到月球上。

高月球圓軌道與(yu) 低月球圓軌道相似，但更高，可達上千公裏。它的優(you) 勢在於(yu) 受月球非球形引力攝動的影響較小，探測器長期飛行也不會(hui) 軌道變形，預計是未來建立月球導航通信星座的理想場所。

月球大橢圓軌道運行在月球赤道附近，軌道周期約14個(ge) 小時。其優(you) 勢在於(yu) 進入低月球圓軌道和返回地球所需的速度增量相差不大，還可以兼顧未來的火星轉移任務。

除了繞月軌道，美國Capstone衛星和未來的月球空間站所在的近直線暈軌道屬於(yu) 地月平衡點附近軌道，繞行中心是地月平衡點。

地月循環軌道則是一個(ge) 近地點在數百公裏乃至幾千公裏外、遠地點距離幾十萬(wan) 公裏的大橢圓軌道，繞行中心是地球和月球。探測器在兩(liang) 者之間周期往返，能兼顧對地球和月球的科學探測。

軌道設計有玄機

月球軌道種類很多，各有用途，關(guan) 鍵在於(yu) 根據任務需求，設計合適的航天器運行軌道，才能起到事半功倍的效果。

據公開資料顯示，“嫦娥一號”軌道設計考慮因素很多，選擇月球極軌，實現全月麵觀測，采用100～200公裏高度的圓軌道，以便獲取較高分辨率和同等分辨率的月球影像。與(yu) 此同時，利用月球自轉周期長的特點，探測器相鄰軌道間距最遠是35公裏，運行27天覆蓋全月。

考慮到月球引力場異常，“嫦娥一號”采用200公裏高度軌道，每2個(ge) 月進行調整，運行1年4個(ge) 月，超過了預期壽命。可以說，“嫦娥一號”實現我國月球軌道設計技術創新，為(wei) 後續任務奠定了堅實基礎。

到了“嫦娥二號”任務，除獲取更高分辨率影像外，還要為(wei) “嫦娥三號”月麵軟著陸做資料和技術儲(chu) 備。

“嫦娥二號”設計了100公裏和100/15公裏2種環月軌道，探測器先在100公裏圓軌道獲取高分辨率全月影像，之後實施3次近月製動，進入橢圓軌道，而且15公裏近月點位置恰好掠過月球虹灣地區上空。利用短暫的掠空時間，“嫦娥二號”獲取了預選著陸區的1米分辨率影像。

中國“嫦娥五號”上升器與(yu) 軌道器交會(hui) 對接

在“嫦娥五號”無人采樣返回任務中，探測器首先進入210公裏圓軌道，之後著陸器2次實施降軌機動，進入200/15公裏的橢圓軌道，在15公裏近月點位置啟動月麵軟著陸程序。

采樣完成後，上升器首先進入180/15公裏的橢圓軌道，然後飛至210公裏高度，與(yu) 等候在那裏的軌道器交會(hui) 對接，轉移月球樣品。通過這一係列複雜的軌道操作，月球采樣返回任務完成。

未來，隨著航天技術不斷發展，月球將成為(wei) 飛向深空的中轉站，還會(hui) 有更多精妙的月球軌道被開發出來，滿足人類探測太陽係乃至宇宙空間的任務需求。

屆時，我們(men) 可以看到各種用途的航天器有序地運行在各自的軌道上，或觀測星空，或奔赴深空，這將是多麽(me) 壯闊的畫卷。

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