嫦娥六号如何蹦跶到月球

16月2日6时23分,嫦娥六号着陆器和上升器组合体在鹊桥二号中继星支持下,成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地预选着陆区。2嫦娥六号的落月过程与此前的嫦娥五号类似,大致分为主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段6个阶段,这个过程大约需要900秒。3主减速段:在距离月面约15公里高度时,开始进入主减速段,任务就是“减速制动”,整个主减速段“着上组合体”基本呈现与月面平行的姿态飞行。4快速调整段:当距离月面大约12公里时,开始姿态调整,发动机逐渐调小推力,“着上组合体”的姿态也逐渐接近垂直于月面。5接近段:距离月面大约两三公里高度时,利用“光学成像敏感器”来进行“粗避障”,也就是对着陆区域的障碍物进行检测与机动规避。6悬停段:降落到110米到90米高度区间,“激光三维成像敏感器”在不到3秒钟时间内快速完成对着陆区域的高精度三维成像,选定着陆点。7避障段:精避障,精准识别、选好着陆点。为了节省燃料,在这一阶段是一边下降一边进行精确避障。8缓速下降段:当降至着陆点上方约30米处,速度减为每秒2米。离月面约2米时,“着上组合体”主发动机关闭,最终,四条缓冲着陆支撑腿稳稳地落在月背南极-艾特肯盆地。92004年,中国探月工程批准立项。从嫦娥一号拍摄全月球影像图,到嫦娥四号实现人类首次月球背面软着陆;从嫦娥五号带着月壤归来,到嫦娥六号月背“挖宝”……不断刷新月球探测纪录。


嫦娥奔月|从地球到月球,每次都走不一样的“路”

我们知道:

·要使物体绕地球作圆周运动,其速度必须达到7.9千米/秒的第一宇宙速度;

· 要使物体摆脱地球引力束缚,飞离地球,其速度必须达到11.2千米/秒的第二宇宙速度;

· 要使物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系,其速度必须达到16.7千米/秒的第三宇宙速度。

有人可能认为,嫦娥探测器要飞往月球应该达到第二宇宙速度。如果嫦娥探测器以这样大的速度飞向月球,当然是没有问题的。但其实只需用更小的速度,将嫦娥探测器送入远地点为千米的椭圆形轨道,就可以使其到达月球了,这是因为月球本身仍然处在地球引力范围之内的缘故。

经过计算,月球探测器只要在近地点达到10.6千米/秒以上的速度,就可以沿椭圆形轨道飞向月球,这一轨道也叫做地月转移轨道。低于这一速度,嫦娥探测器将无法飞抵月球。

地月之间相隔茫茫38万千米的距离,一般说来,探测器发射升空后,有两种方式飞向月球:

1 先进入地球近地停泊轨道,在该轨道适当位置加速,飞向月球;

2在大气层外加速,直接飞向月球。

那么,嫦娥探测器又是怎样一步步到达月球的呢?

嫦娥一号探测器到达月球一共分为三步。

1调相轨道

调相轨道是进入地月转移轨道前的一段轨道,它有很大的灵活性,有很多可利用的优点。

在调相轨道上,技术人员通过提前精确测量和修正轨道,使探测器能够更精确地进入地月转移轨道,从而节省能量,还可以增加发射机会。月球探测器在调相轨道进行若干次加速,就能够达到进入转移轨道所需的速度了。

嫦娥一号探测器发射升空后,长征三号甲运载火箭将它送入运行周期约为16小时的初始椭圆轨道;随后星箭分离,嫦娥一号探测器先在16小时轨道上运行三圈到达近地点时,进行第一次大的轨道机动,变轨到周期约为24小时的椭圆轨道;在24小时轨道上运行一圈,再次到达近地点时,进行第二次大的轨道机动,变轨到周期约为48小时的椭圆轨道。探测器在这三条调相轨道上共运行约5天,进行三次大的轨道机动,将飞行速度提高到10.6千米/秒,就可以进入地月转移轨道了。

嫦娥一号探测器的三次机动,可以理解为运动员扔铁饼:先转几圈,逐步加速然后再扔出去,从而使铁饼获得最大的飞行速度。

2地月转移轨道

地月转移轨道飞行时间一般都是3至5天,飞行时间越短,速度越大,所需要的能量越大。综合考虑了能量以及工程实施中的一系列因素后,嫦娥一号选择了116小时,也就是将近4天20小时的飞行时间。

按照计划,嫦娥一号探测器进入地月转移轨道后,要进行两次中途修正,而在实际飞行过程中,地面控制人员仅用一次修正就达到了预期目标。

3月球捕获轨道

嫦娥一号探测器到达近月点时开始减速,慢慢进入最终的预定轨道。第一次减速进入周期12小时的大椭圆轨道,这时近月点速度由2.412千米/秒降到2.0642千米/秒;第二次减速进入3.5小时的小椭圆轨道,近月点速度降到了1.8012千米/秒。第三次减速进入周期127.6分钟的绕月圆轨道,这也是嫦娥一号的使命轨道。至此,嫦娥一号的探月之旅正式拉开了帷幕。

2010年10月1日,嫦娥二号探测器由长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射。随着技术的发展,与嫦娥一号不同,嫦娥二号发射后没有进入调相轨道,而是直接进入地月转移轨道,这也是我国首次直接进入地月转移轨道的发射任务。

嫦娥二号与火箭分离后,经过了5天的飞行,准确进入了距月面100千米的环月轨道。

嫦娥三号探测器与嫦娥二号的飞行轨道基本相同,不同的是,嫦娥三号要进行月面软着陆。

它在环月圆轨道上运行了4天后开始减速,进入了一条近月点为距月面15千米的椭圆轨道,为着陆月球做准备。到达近月点后,嫦娥三号再次开始减速,沿着一条抛物线缓缓降落至月球表面。

作为嫦娥四号的中继卫星,鹊桥号则开辟了一条全新的道路。

鹊桥号与火箭分离后,进入地月转移轨道。经过中途修正,在近月点实施近月制动和月球借力,进入月球至地月L2点的转移轨道。飞行约4天后,鹊桥号到达地月L2点附近,经过多次轨道捕获控制及轨道修正,进入了环绕地月L2点的Halo使命轨道,随即开展在轨测试、天线指向标定和中继通信链路联调。

同样是在月球表面软着陆,嫦娥四号与嫦娥三号的着陆过程却并不相同。

嫦娥三号和嫦娥四号下降过程均可分为着陆准备段、主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段七部分。但由于嫦娥四号着陆区为月球背面,相对嫦娥三号着陆区地形起伏程度明显增加。为了避免地形大范围起伏的影响,与嫦娥三号一边向前一边下降的抛物线形轨迹不同,嫦娥四号在主减速段结束后是垂直向下运动的,这样可以保证高度方向导航结果的正确性,实现安全着陆。

让人惊喜的是,嫦娥四号任务携带的种子在月球上长出了第一片绿叶,我们相信很快就会看到月球上的第一朵花,第一个果实,第一只蚕宝宝……

出品/中国航天科普&科普中国

参考文献:

[1].冉隆燧.航天工程设计实践[M].北京:中国宇航出版社,2012.

[2].吴伟仁.奔向月球[M].北京:中国宇航出版社,2015.

[3].吴伟仁,王琼,唐玉华,等.“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报,2017,4(2):111-117.

[4]. 李飞,张熇,吴学英,等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]. 深空探测学报,2017,4(2):143-149.

文/段婷

编辑/杨斯爽、贾冰玉

审校/杨洁

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嫦娥开车到月球,大概需要多长时间?38万公里可不是开玩笑的

月球是地球唯一一颗天然卫星,对地球生命也有非常重要的意义。 人类的探月工程已经取得了长足的进步,预计到2024年,NASA就将让宇航员“重返月球”。 人类的宇航员只需要几天的时间就能抵达月球,可以说方便快捷。 但千万不要认为地月距离很近。 从地球到月亮的平均距离达到了38万公里。 想一下我们最熟悉的小 汽车 ,想要让小 汽车 里程达到38万公里,几乎已经要报废了。 如果地月距离是一段水平的路面,不用考虑高度、真空和油耗的问题,嫦娥从地球上开车到月球,大概需要多长时间呢?首先38万公里在地球上是个庞大的距离概念。 这几乎相当于地球赤道长度的9倍还多。 人类目前采用的机动车行驶速度最快为200公里,如果从地球出发奔向月球,大概需要1900个小时的时间,也就是两个半月左右。 这段时间内,小 汽车 要保持200千米的时速,一刻不停地开。 这在我们现实生活中是难以想象的,且不说油耗,驾驶员自己也遭不住,如果我们开12个小时,休息12个小时的话,那抵达月球就需要差不多半年的时间了。 人类自己可能对距离的概念不够清楚。 当年阿波罗系列飞船,发射升空之后从地球轨道飞向月球轨道,大概只需要3天的时间。 因为阿波罗飞船本身是存在动力的,在不断加速度当中,它的飞行速度会越来越快,一直到抵达月球为止,而人类的 汽车 因为摩擦力的存在,无法以宇宙速度为参考样本。 当然,人类未来很可能会研发出飞行 汽车 ,如果它真的具备飞向太空的实力,那从地球轨道加速度到月球的话,所花费的时间会少很多。 大家怎么看待这一问题?

太空中没有空气嫦娥,那么如何从月球点火升空?怎样产生推力?

随着我国航空航天事业的发展,我国对于太空的开发走在了世界前列,很多人都比较关注太空情况。同时自己也十分着迷的去搜集思考,太空知识让很多人有疑惑,在太空上没有空气,那么嫦娥号是如何在太空点火升空的呢?很多人觉得没有空气,没有氧气,燃料就没有办法燃烧,怎么才能点火?这是一项新的科学技术吗?其实这是火箭发动机的功劳。如果在地球内我们想要点火升空,只需要使用喷气发动机即可喷气式发动机携带燃料,借助空气可以充分燃烧并产生巨大的动力带动飞机飞行,但是火箭发动机就不一样了,火箭发动机是一个完整的结构,它有自己的燃烧舱,在燃烧舱内不但有染料还有氧化剂,当点火时它自己自身携带的氧化剂就可以让原料燃烧,所以在太空上没有空气也是可以正常燃烧的。

一、什么是火箭发动机?

火箭发动机其实是喷气发动机的一种,所谓喷气发动机就是发动机在燃烧后产生巨大的喷气,在喷气的过程中产生了推力,反作用于发动机。而火箭发动机是喷气发动机的一种,火箭发动机的特点是在发动机内部具备一个完整的燃烧仓,携带燃料和氧化剂可以不用借助,空气就可以充分燃烧。火箭发动机大多用于太空飞行。

二、如何产生推力?

火箭发动机产生推力,它是一种内部燃烧的现象,在燃烧舱内燃料和氧化剂充分混合后进行点火,燃烧燃烧后,燃烧舱内的压力急剧上升,没有地方可以释放压力,只能从设定好的喷口处喷出,这就产生了气,气流急速膨胀并产生推力,就让火箭升空和飞机飞行。

三、火箭发动机有什么特点?

其实火箭发动机的特点是不用大气就可以推动流体并且携带的液态燃料或者化学分解成的燃料,氧化剂可以进行自行燃烧,能够在地球的大气层外工作但是它的推力大的同时会产生较高的能量消耗。

以上几点可以看出,太空中没有空气,嫦娥号是通过火箭发动机内自行携带的燃料和氧化剂进行点火升空。

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