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我們知道：

· 要使物體繞地球作圓周運動，其速度必須達到7.9千米／秒的第一宇宙速度；

· 要使物體擺脫地球引力束縛，飛離地球，其速度必須達到11.2千米／秒的第二宇宙速度；

· 要使物體擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系，其速度必須達到16.7千米／秒的第三宇宙速度。

有人可能認為，嫦娥探測器要飛往月球應該達到第二宇宙速度。如果嫦娥探測器以這樣大的速度飛向月球，當然是沒有問題的。但其實隻需用更小的速度，将嫦娥探測器送入遠地點為384400千米的橢圓形軌道，就可以使其到達月球了，這是因為月球本身仍然處在地球引力範圍之内的緣故。

經過計算，月球探測器隻要在近地點達到10.6千米／秒以上的速度，就可以沿橢圓形軌道飛向月球，這一軌道也叫做地月轉移軌道。低于這一速度，嫦娥探測器将無法飛抵月球。

嫦娥一号探測器

地月之間相隔茫茫38萬千米的距離，一般說來，探測器發射升空後，有兩種方式飛向月球：

1 先進入地球近地停泊軌道，在該軌道适當位置加速，飛向月球；

2 在大氣層外加速，直接飛向月球。

那麼，嫦娥探測器又是怎樣一步步到達月球的呢？

嫦娥一号探測器到達月球一共分為三步。

1調相軌道

調相軌道是進入地月轉移軌道前的一段軌道，它有很大的靈活性，有很多可利用的優點。

在調相軌道上，技術人員通過提前精确測量和修正軌道，使探測器能夠更精确地進入地月轉移軌道，從而節省能量，還可以增加發射機會。月球探測器在調相軌道進行若幹次加速，就能夠達到進入轉移軌道所需的速度了。

嫦娥一号探測器發射升空後，長征三号甲運載火箭将它送入運行周期約為16小時的初始橢圓軌道；随後星箭分離，嫦娥一号探測器先在16小時軌道上運行三圈到達近地點時，進行第一次大的軌道機動，變軌到周期約為24小時的橢圓軌道；在24小時軌道上運行一圈，再次到達近地點時，進行第二次大的軌道機動，變軌到周期約為48小時的橢圓軌道。探測器在這三條調相軌道上共運行約5天，進行三次大的軌道機動，将飛行速度提高到10.6千米/秒，就可以進入地月轉移軌道了。

嫦娥一号探測器的調相軌道示意圖

嫦娥一号探測器的三次機動，可以理解為運動員扔鐵餅：先轉幾圈，逐步加速然後再扔出去，從而使鐵餅獲得最大的飛行速度。

2地月轉移軌道

地月轉移軌道飛行時間一般都是3至5天，飛行時間越短，速度越大，所需要的能量越大。綜合考慮了能量以及工程實施中的一系列因素後，嫦娥一号選擇了116小時，也就是将近4天20小時的飛行時間。

地月轉移軌道示意圖

按照計劃，嫦娥一号探測器進入地月轉移軌道後，要進行兩次中途修正，而在實際飛行過程中，地面控制人員僅用一次修正就達到了預期目标。

3月球捕獲軌道

嫦娥一号探測器到達近月點時開始減速，慢慢進入最終的預定軌道。第一次減速進入周期12小時的大橢圓軌道，這時近月點速度由2.412千米／秒降到2.0642千米／秒；第二次減速進入3.5小時的小橢圓軌道，近月點速度降到了1.8012千米／秒。第三次減速進入周期127.6分鐘的繞月圓軌道，這也是嫦娥一号的使命軌道。至此，嫦娥一号的探月之旅正式拉開了帷幕。

嫦娥一号在月球上空飛行的三條軌道

2010年10月1日，嫦娥二号探測器由長征三号丙運載火箭在西昌衛星發射中心成功發射。随着技術的發展，與嫦娥一号不同，嫦娥二号發射後沒有進入調相軌道，而是直接進入地月轉移軌道，這也是我國首次直接進入地月轉移軌道的發射任務。

長征三号丙運載火箭發射

嫦娥二号與火箭分離後，經過了5天的飛行，準确進入了距月面100千米的環月軌道。

嫦娥三号探測器與嫦娥二号的飛行軌道基本相同，不同的是，嫦娥三号要進行月面軟着陸。

它在環月圓軌道上運行了4天後開始減速，進入了一條近月點為距月面15千米的橢圓軌道，為着陸月球做準備。到達近月點後，嫦娥三号再次開始減速，沿着一條抛物線緩緩降落至月球表面。

嫦娥三号着陸器

作為嫦娥四号的中繼衛星，鵲橋号則開辟了一條全新的道路。

鵲橋号中繼衛星

鵲橋号與火箭分離後，進入地月轉移軌道。經過中途修正，在近月點實施近月制動和月球借力，進入月球至地月L2點的轉移軌道。飛行約4天後，鵲橋号到達地月L2點附近，經過多次軌道捕獲控制及軌道修正，進入了環繞地月L2點的Halo使命軌道，随即開展在軌測試、天線指向标定和中繼通信鍊路聯調。

鵲橋号飛行軌道示意圖

同樣是在月球表面軟着陸，嫦娥四号與嫦娥三号的着陸過程卻并不相同。

嫦娥四号着陸示意圖

嫦娥三号和嫦娥四号下降過程均可分為着陸準備段、主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段和緩速下降段七部分。但由于嫦娥四号着陸區為月球背面，相對嫦娥三号着陸區地形起伏程度明顯增加。為了避免地形大範圍起伏的影響，與嫦娥三号一邊向前一邊下降的抛物線形軌迹不同，嫦娥四号在主減速段結束後是垂直向下運動的，這樣可以保證高度方向導航結果的正确性，實現安全着陸。

嫦娥四号下降過程示意圖

讓人驚喜的是，嫦娥四号任務攜帶的種子在月球上長出了第一片綠葉，我們相信很快就會看到月球上的第一朵花，第一個果實，第一隻蠶寶寶……

棉花種子長出了嫩芽

出品/中國航天科普&科普中國

參考文獻:

[1].冉隆燧.航天工程設計實踐[M].北京：中國宇航出版社，2012.

[2].吳偉仁.奔向月球[M].北京：中國宇航出版社，2015.

[3].吳偉仁，王瓊，唐玉華，等.“嫦娥4号”月球背面軟着陸任務設計[J]. 深空探測學報，2017，4（2）：111-117.

[4]. 李飛，張熇，吳學英，等. 月球背面地形對軟着陸探測的影響分析[J]. 深空探測學報，2017，4（2）：143-149.

文/段婷

編輯/楊斯爽、賈冰玉

審校/楊潔

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