望月·奔月

文|韓吉辰

望月·奔月

文|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。人類在實際登月時，卻發(fā)現完全不是那樣輕松簡單。首先是路途遙遠，其次是月球和地球都在運動，相互間的位置在變化。

月亮離我們有多遠

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

這樣遙遠的距離是如何測量出來的呢？古代一般使用“三角法”。這是現在測量隊常用的一種方法，它能用來測量不能直接到達的地方的距離。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基點，量出它們之間的距離（這兩個基點之間的連線叫基線），然后在兩個基點上分別量出被測目標同基線的夾角，利用幾何公式就可計算出被測建筑物的距離。

第一次測量月地距離的科學家，是古希臘的喜帕恰斯。他利用兩個地點的觀測數據，再運用簡單的幾何學原理，推算出月亮到地球的距離。當時得出月亮到地球的距離是381 000千米，和今天采用的數字很相近。隨著科學測量技術的不斷發(fā)展，到20世紀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。科學家在月球上面放置一面奇妙的“鏡子”——光學反射器，這個反射器是由阿波羅登月活動在月球表面安裝的，由100多個具有反射功能的棱柱組成，它性能奇妙：無論光線從哪個角度照射，它都會從原來的角度反射回來！科學家們利用大功率激光往返月球和地球之間的時間進行測量，就可以計算出準確的月地距離。

還要說明的是，地球不停地在自轉，而月亮也在不停繞著地球運動。因為雙方都在不停地運動，相對距離和位置瞬時都有變化，這樣使得準確發(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？一顆速度為每秒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？繞地飛行數圈是不是要耗費大量的燃料？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)省時間的方法，但是有個條件，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”反復變軌的原因是目前我國火箭推力不夠大，不能直接將“嫦娥一號”送到遠地點為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，非常費燃料，而且十分危險。同理，“嫦娥一號”在發(fā)射時，先圍繞地球運動，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，航天器變軌技術意義重大，“嫦娥一號”上有多臺發(fā)動機，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)星就得到一個向前的動力。也可以通過反作用力調整運動方向，因為它自己帶了燃料，所以可以在宇宙真空中飛行。這多臺發(fā)動機和精密控制系統，就是航天器實現變速、變軌的秘密。

“嫦娥”奔月路程

2007年10月24日下午6時5分，我國第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號”成功發(fā)射，經歷10次變軌，進入月球軌道。“嫦娥一號”衛(wèi)星在發(fā)射升空后要先圍繞地球用5天的時間轉5圈，第一個階段是繞3圈，每圈16小時，第二階段是用24小時繞一圈，第3個階段是用48小時繞一圈。先后通過三個軌道——調相軌道、地月轉移軌道、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，通過3次累積，衛(wèi)星加速到10.9千米/秒以上，進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2 000條指令。整個奔月過程“嫦娥”要飛行100多萬千米。整個探月衛(wèi)星的奔月時間大約116小時，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。