望月·奔月

韓吉辰

“嫦娥奔月”是家喻戶曉的神話傳說，故事講述了嫦娥偷吃神藥后，輕飄飄直接飛向月球，不一會兒就到了“廣寒宮”，成為美麗的廣寒仙子。人類在實(shí)際登月時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)完全不是那樣輕松簡單。首先是路途遙遠(yuǎn)，其次是同球和地球都在運(yùn)動，相互間的位置在變化。

月亮離我們有多遠(yuǎn)？

地球只有一個(gè)衛(wèi)星，就是月球。目前天文界認(rèn)同的月地平均距離為384 401千米。

這樣遙遠(yuǎn)的距離是如何測量出來的呢？古代一般使用“三角法”。這是現(xiàn)在測量隊(duì)常用的一種方法，它能用來測量不能直接到達(dá)的地方的距離。比如，在一條奔騰咆哮的河的對岸有一建筑物，要想知道它與我們的距離，又不能游過河去，就可以用三角法測量。方法是在河這邊選取兩個(gè)基點(diǎn)，量出它們之間的距離（這兩個(gè)基點(diǎn)之間的連線叫基線）。然后在兩個(gè)基點(diǎn)上分別量出被測目標(biāo)同基線的夾角，利用幾何公式就可計(jì)算出被測建筑物的距離。

第一次測量月地距離的科學(xué)家，是古希臘的喜帕恰斯。他利用兩個(gè)地點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，再運(yùn)用簡單的幾何學(xué)原理，推算出月亮到地球的距離。當(dāng)時(shí)得出月亮到地球的距離是381 000千米，和今天采用的數(shù)字很相近。隨著科學(xué)測量技術(shù)的不斷發(fā)展，到20世紀(jì)80年代，這一誤差縮短到了幾厘米。

利用激光來測量地月距離是目前最為精確的方法。科學(xué)家在月球上面放置一面奇妙的“鏡子”——光學(xué)反射器，這個(gè)反射器是由阿波羅登月活動在月球表面安裝的，由100多個(gè)具有反射功能的棱柱組成，它性能奇妙：無論光線從哪個(gè)角度照射，它都會從原來的角度反射回來！科學(xué)家們利用大功率激光往返月球和地球之間的時(shí)間進(jìn)行測量，就可以計(jì)算出準(zhǔn)確的月地距離。

還要說明的是，地球不停地在自傳，而月亮也在不停繞著地球運(yùn)動。因?yàn)殡p方都在不停地運(yùn)動，相對距離和位置瞬時(shí)都有變化，這樣使得準(zhǔn)確發(fā)射探測月球的航天器更加困難。

為什么不將航天器直接發(fā)射到月球？

剛才提到月地距離有38萬多千米，這是什么概念呢？顆速度為每秒500米的炮彈，需飛行9天；每秒傳播340米的聲音，需傳播13天：即使是光線，從月亮到達(dá)地球，也得走1.25秒。神話傳說中的孫悟空，筋斗云飛行極快，一個(gè)筋斗十萬八千里（即5.4萬千米），如果從地面飛向“廣寒宮”，也需要連續(xù)翻7個(gè)筋斗云……

我國發(fā)射“嫦娥一號”首顆探月衛(wèi)星為什么繞地球飛行好幾圈后才飛向月球？繞地飛行數(shù)圈是不是要耗費(fèi)大量的燃料？為什么不在地球上直接發(fā)射到月球的軌道上去？

這三個(gè)問題問得很好。將航天器直接發(fā)射到月球的軌道上，是最節(jié)省時(shí)間的方法，但是有個(gè)條件，就是需要有巨大推動的火箭，才能直接脫離地球的引力，目前我國還沒有這么巨大推力的火箭。美國“阿波羅”載人飛船就是直接飛向月球的，“土星5號”火箭是迄今人類建造的動力最強(qiáng)勁的火箭，可以將45噸的有效載荷發(fā)射到月球軌道，將120噸的有效載荷發(fā)射到地球軌道。

“阿波羅”載人飛船選擇的必須是最省時(shí)間的軌道，而“嫦娥一號”衛(wèi)星選擇的是最省燃料的軌道。“嫦娥一號”反復(fù)變軌的原因是因?yàn)槟壳拔覈鸺屏Σ粔虼螅荒苤苯訉ⅰ版隙鹨惶枴彼偷竭h(yuǎn)地點(diǎn)為38萬千米的軌道上，需要依靠“嫦娥一號”自己帶的小火箭慢慢變軌飛向月球。

同學(xué)們知道上山的公路為什么修成盤旋狀嗎？這是利用了物理原理：高度一定，斜面越長，坡度越平緩，越省力。如果是直接開的路，坡度陡峭，車子必須功率非常大，非常費(fèi)燃料，而且十分危險(xiǎn)。同理，“嫦娥一號”在發(fā)射時(shí)，先圍繞地球運(yùn)動，軌道越來越高，地球引力就會變小，然后再駛向月球，可以節(jié)省大量燃料。

此外，航天器變軌技術(shù)意義重大，“嫦娥一號”上有多臺發(fā)動機(jī)，可以向不同方向噴射氣體，噴的是燃料燃燒后的高壓氣體。由于反作用力衛(wèi)星就得到一個(gè)向前的動力。也可以通過反作用力調(diào)整運(yùn)動方向，因?yàn)樗约簬Я巳剂希钥梢栽谟钪嬲婵罩酗w行。這多臺發(fā)動機(jī)和精密控制系統(tǒng)，就是航天器實(shí)現(xiàn)變速、變軌的秘密。

“嫦娥”奔月路程

2007年10月24日下午6時(shí)5分，我國第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號”成功發(fā)射，經(jīng)歷10次變軌，進(jìn)入月球軌道。“嫦娥一號”衛(wèi)星在發(fā)射升空后要先圍繞地球用5天的時(shí)間轉(zhuǎn)5圈，第一個(gè)階段是繞3圈，每圈16小時(shí)，第二階段是用24小時(shí)繞一圈，第3個(gè)階段是用48小時(shí)繞一圈。先后通過三個(gè)軌道——調(diào)相軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道、環(huán)月軌道。這3次變軌目的都是加速，每變軌一次，衛(wèi)星的速度就增加一點(diǎn)，通過3次累積，衛(wèi)星加速到10.9千米/秒以上，進(jìn)入奔月軌道的最低速度，然后“嫦娥”直接向月球飛去。

這10次軌道控制，需要下達(dá)2 000條指令。整個(gè)奔月過程“嫦娥”要飛行100多萬千米。整個(gè)探月衛(wèi)星的奔月時(shí)間大約116小時(shí)，距離地球接近38.44萬千米。而過去，中國發(fā)射的衛(wèi)星距離地面一般都在3.58萬千米左右。所以我們說：“嫦娥”完美奔月是我國邁出航天深空探測的第一步，是航天深空探測零的突破。

知識鏈接

“嫦娥”家族一覽表

嫦娥一號是我國首顆繞月人造衛(wèi)星，是以中國古代神話人物嫦娥命名的，由中國空間技術(shù)研究院承擔(dān)研制，于2007年10月24日18時(shí)05分在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心搭乘長征三號甲運(yùn)載火箭順利發(fā)射升空。衛(wèi)星總重量為2 350千克左右，尺寸為2 000毫米×1 720毫米×2 200毫米。在圓滿完成各項(xiàng)使命后，于2009年3月1日撞向月球預(yù)定地點(diǎn)。

嫦娥二號衛(wèi)星，簡稱“嫦娥二號”或“二號星”，是我國第二顆探月衛(wèi)星、第二顆人造太陽系小行星，也是我國探月工程二期的技術(shù)先導(dǎo)星，是嫦娥一號的備份星。嫦娥二號衛(wèi)星于2010年10月1日18時(shí)59分57秒在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號丙運(yùn)載火箭成功發(fā)射并順利進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，完成了一系列工程與科學(xué)目標(biāo)后，飛越小行星4179成功進(jìn)行再拓展試驗(yàn)，并不斷刷新距地飛行高度，協(xié)同我國深空測控站開展行星際測控通信試驗(yàn)。

嫦娥三號是我國第一個(gè)月球軟著陸的無人登月探測器，是嫦娥工程第二階段的登月探測器，由著陸器和巡視探測器（即“玉兔號”月球車）組成。嫦娥三號于2013年12月2日凌晨1時(shí)30分在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號乙運(yùn)載火箭送入太空，當(dāng)月14日成功軟著陸于月球雨海西北部，15日完成著陸器巡視器分離，并陸續(xù)開展了“觀天、看地、測月”的科學(xué)探測和其他預(yù)定任務(wù)。

嫦娥四號登月探測器，簡稱“四號星”，是嫦娥三號的備份星，其主要任務(wù)是在嫦娥三號著陸月球表面探測的基礎(chǔ)上，繼續(xù)更深層次、更加全面地科學(xué)探測月球地質(zhì)、資源等方面的信息，完善月球的檔案資料。

嫦娥五號探測器是我國研制中的首個(gè)實(shí)施無人月面取樣返回的航天器。其計(jì)劃在嫦娥工程三期中完成月面取樣返回任務(wù)，是該工程中最關(guān)鍵的探測器。嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個(gè)部分組成。探測器預(yù)計(jì)在2017年由長征五號運(yùn)載火箭在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，自動完成月面樣品采集，并從月球起飛，返回地球，帶回約2千克月球樣品。