極限救援！中國科學(xué)院成功營救DRO月球探索雙星

中國嘗試將兩顆探索衛(wèi)星送到月球附近。然而，火箭發(fā)射失利導(dǎo)致雙星無法進行后續(xù)飛行任務(wù)。中國科學(xué)院的科學(xué)家們通過復(fù)雜的軌道計算、精準(zhǔn)的發(fā)動機點火操作以及天體動力學(xué)方面的極致智慧終于克服困難、實現(xiàn)了最終目標(biāo)。

中國于去年3月13日使用長征二號丙火箭發(fā)射了DRO-A星和B星，目標(biāo)是將這兩顆衛(wèi)星送入圍繞月球的遠(yuǎn)距離逆行軌道（DRO）。然而，原本計劃將衛(wèi)星組合體送入地月轉(zhuǎn)移軌道的火箭上面級“遠(yuǎn)征一號S”出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致這兩顆衛(wèi)星飛行高度過低。

目前對于這兩顆衛(wèi)星的確切信息知之甚少。鑒于發(fā)射所用火箭的有效載荷能力有限，它們肯定體積較小，據(jù)推測是用于技術(shù)測試以及探索這種不尋常的遠(yuǎn)距逆行軌道（DRO）的用途（逆行軌道對于月球通信和觀測可能會很有用）。關(guān)鍵在于，衛(wèi)星體積小意味著它們攜帶的燃料很少，因此在沒有輔助的情況下從近地軌道抵達月球軌道是一項極其艱巨的任務(wù)。然而，負(fù)責(zé)此次任務(wù)的中國科學(xué)院盡管面臨著遙遠(yuǎn)的距離，還是展開了營救行動。

“必須匆忙重新制定飛行計劃肯定就像一場噩夢，所以這是一項非常了不起的成就。”—— 喬納森·麥克道爾，哈佛大學(xué)史密森尼天體物理中心

接下來是為期167天的持續(xù)努力，他們首先將衛(wèi)星組合體送到了遠(yuǎn)超過地月距離的位置，然后成功地將衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道。此次操作包括五次軌道機動、五次進一步的軌道修正以微調(diào)衛(wèi)星的運行軌道，以及三次借助地球和月球的引力助推。

第一步是在近地點（衛(wèi)星在軌道上距離地球最近的點）進行小推力的發(fā)動機點火，這逐漸抬高了遠(yuǎn)地點（軌道上距離地球最遠(yuǎn)的點）的高度。一旦遠(yuǎn)地點足夠高，一次更大的點火操作就讓衛(wèi)星踏上了前往月球的特殊轉(zhuǎn)移軌道。

通常情況下，前往月球的衛(wèi)星會沿著最簡單的軌道飛行，即所謂的霍曼轉(zhuǎn)移軌道。采用這種軌道時，衛(wèi)星需要消耗大量的燃料來加速啟動，然后在三到四天后抵達目的地時，再進行一次較大的點火操作來進入繞月軌道。而中國的這次任務(wù)則利用了地月系統(tǒng)周圍的混沌動力學(xué)區(qū)域來節(jié)省燃料。1990年，日本的“飛天”探測器也曾采用類似的方法獲救，但它被送入的是常規(guī)的月球軌道。要計算出進入遠(yuǎn)距逆行軌道（DRO，一種相對于月球反向運行的勢能高地、長期穩(wěn)定的軌道）的軌道參數(shù)，其難度可想而知。

“一個小小的誤差就會讓你遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離目標(biāo)。”—— 喬納森·麥克道爾，哈佛大學(xué)史密森尼天體物理中心

哈佛大學(xué)史密森尼天體物理中心的天文學(xué)家、太空活動追蹤與分析專家喬納森·麥克道爾表示：“到達月球的天體動力學(xué)要比單純的近地軌道任務(wù)復(fù)雜得多。涉及所謂的‘弱捕獲’和遠(yuǎn)距逆行軌道的情況就更加復(fù)雜了，而且還必須在出現(xiàn)發(fā)射意外之后匆忙重新制定計劃，這肯定就像一場噩夢，所以這是一項非常了不起的成就。”

弱捕獲是指一個天體在無需衛(wèi)星進行大幅推進操作的情況下，通過引力捕獲進入特定軌道。正如麥克道爾所解釋的那樣，這種技術(shù)對于節(jié)省燃料的飛行任務(wù)入軌至關(guān)重要，它需要精確的時機把握和精細(xì)的軌道調(diào)整。

“更直接理解這個‘酷炫’且巧妙的軌道設(shè)計策略的一句話是，你用時間來換取燃料。這樣做會花費更長的時間，但使用的燃料更少。一旦你到達轉(zhuǎn)移軌道的遠(yuǎn)地點（他們沒有說明具體有多遠(yuǎn)，但我猜超過了100萬公里），只需讓火箭進行一小段時間的點火，你就能在很大程度上改變最終的目的地。但同樣地，一個小小的誤差就會讓你遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離目標(biāo)。”

社交媒體上出現(xiàn)了一些似乎是中國科學(xué)院的演示文稿幻燈片，展示了將衛(wèi)星送入月球軌道所采用的迂回路線。不過，該研究院沒有回應(yīng)就此次任務(wù)發(fā)表評論的請求。

DRO-A星和B星在成功進入預(yù)定的遠(yuǎn)距逆行軌道后彼此分離。根據(jù)美國太空軍的太空領(lǐng)域感知數(shù)據(jù)，這兩顆衛(wèi)星的軌道遠(yuǎn)地點相對于地球約為58萬公里，近地點約為29萬公里，而月球繞地球運行的平均距離為38.5萬公里，這表明它們處于遠(yuǎn)高于月球的軌道上。

在那里，這些衛(wèi)星正在測試這一獨特軌道的特性，并測試相關(guān)技術(shù)，包括與另一顆衛(wèi)星DRO-L進行通信。它比DRO-A星和B星早一個月發(fā)射，進入了近地軌道。盡管這并非中國月球探測計劃的主要部分，但中國正計劃建立月球?qū)Ш胶屯ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施，以支持月球探測活動，而這些衛(wèi)星的數(shù)據(jù)可能會為這些計劃提供參考。

DRO-A星還搭載了一個科學(xué)載荷，即一臺全天伽馬射線暴探測器，尤其是那些與引力波事件相關(guān)的伽馬射線暴，比如黑洞碰撞、中子星碰撞以及超新星爆發(fā)等事件產(chǎn)生的伽馬射線暴。該儀器基于中國早期的“引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器（GECAM）”近地軌道伽馬射線探測任務(wù)，但在深空中該儀器將擁有不受阻擋的視野、且受到的干擾更少。

因此，這次營救行動推動了中國的月球探測計劃和太空科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)，也展示了中國在天體動力學(xué)方面的實力。麥克道爾指出，與這次營救行動最相似的是亞洲衛(wèi)星3號任務(wù)（后更名為“香港衛(wèi)星通信有限公司一號衛(wèi)星”，HGS-1）。1997年，這顆原本要進入地球靜止軌道（GEO）的衛(wèi)星被困在了橢圓轉(zhuǎn)移軌道上。當(dāng)時，通過抬高這顆衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點，使其兩次飛掠月球，最終將其送入了地球靜止軌道，并且衛(wèi)星還剩余足夠的燃料，能夠繼續(xù)運行四年。

麥克道爾表示：“這無疑表明，中國在處理復(fù)雜天體動力學(xué)問題的能力方面，目前已與美國不相上下。”

中國去年還成功完成了一項復(fù)雜的月球背面采樣返回任務(wù)，是五個飛行器前赴后繼達到的成就。明年，中國計劃發(fā)射新的任務(wù)在月球南極著陸，以尋找包括水在內(nèi)的揮發(fā)性物質(zhì)。DRO-A星和B星任務(wù)的成功營救，進一步鞏固了中國在深空導(dǎo)航和復(fù)雜軌道營救方面日益增長的專業(yè)能力。鑒于中國計劃在21世紀(jì)30年代建立一個永久性月球基地，這些能力對于維持和支持長期的月球探測任務(wù)至關(guān)重要。

來源：https://spectrum.ieee.org/china-saves-dro-moon-mission（該文章為Andrew Jones在2月18日發(fā)布到IEEE spectrum的原文翻譯，英文版已超400萬閱讀）