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发射现已二十多天,嫦娥四号为何还未着陆?

发布日间:2019-01-03   浏览次数:

【文/观察者网专栏作者 李会超】

2018年12月6日,我国航天拉开了年底一场重头戏的前奏:嫦娥四号勘探器从我国的西昌卫星发射中心成功发射,将进行人类历史上第一次在ag环亚娱乐网址月球反面的软着陆勘探。现在,间隔发射成功现已曩昔二十多天,却一直没有传来嫦娥四号成功着陆的音讯。在这段时刻里,嫦娥四号终究在做什么呢?

发射嫦娥四号的长征-3B火箭起飞升空

在月球上等天亮

其实,嫦娥四号一切正常,只是在等天亮。

众所周知,地球上的一天和一年分别是地球自转和公转一圈的时刻。在一天中,将迎来太阳的东升西落和黑夜与白日的替换。而在月球上的某一方位,完结一次相同的进程却需求27.3个地球天,也即655小时的时刻,与月球绕地球公转的周期彻底相同。

实践上,在月球构成的前期,月球的自转速度比现在快,月球上“一天”的时刻也比现在短。可是,月球在公转进程中,遭到地球的万有引力并不均匀。挨近地球的一侧,万有引力大于公转的离心力,处于这侧的岩石被拉伸,向挨近地球的方向拱起。在远离地球的一侧,受力状况相反,岩石向远离地球的方向拱起。当月球的公转速度和自传速度不一起,由潮汐力引起的拱起方位会不断改改动,但拱起方位的改动一直跟不上地球与月球中心连线方向的改动。在这个进程中,潮汐力将改动月球的自转速度,终究使得月球的自传和公转周期相同,潮汐力引起的拱起一直处于地月中心的连线上。这种现象被称为”潮汐确定“。

左图为月球在自转的一起绕地球公转的示意图,因为月球自转周期和公转周期相同,因而朝向地球的总是同一面。假设月球再公转的一起并不自转,则会呈现右图中的景象

在潮汐确定的效果下,月球朝向地球的部分是固定的,也就是咱们能够从地球上看到的那一面。跟着月球的自转,月球外表被照亮的部分会逐渐发作改动。阴历每月十五,月球面临地球的一面(月球正面)被太阳照亮,此刻那里是白日,地球上的咱们所看到的则是亮堂的满月。而每月初一,月球上背对地球的一面(月球反面)被照亮,朝向地球的一面则变得漆黑,咱们也就看不到月亮了。十五前后,月球正面被照亮的区域多,而初一前后,月球反面被照亮的区域多。

处于日地L1点的DSCOVR卫星拍照的地月合影,映入镜头的就是月球反面被太阳照亮时的姿态

嫦娥四号尽管携带了同位素热电池,但首要的电力来历仍然是其太阳能电池板。为了能让其在着陆进程中得到充沛的电能供给,规划者们期望嫦娥四号能在光照条件较好的时刻施行着陆。一起,较好的光照还能够让勘探器在落月的关建进程中躲过月夜里的极寒。实践上,嫦娥四号早在12月12日就现已来到了月球邻近,完结近月制动并成功进入绕月轨迹,但那一天是阴历的初六,月球反面刚好处于夜间。因而,嫦娥四号要在绕月轨迹上等候一段时刻,直到月球的反面天亮后,再择机施行着陆。

发射窗口束缚多

可是,问题到这儿还没有彻底处理。已然奔月之旅只需求五六天,为什么嫦娥四号要早早上路呢?

在人类现有的航天技能条件下,航天器在太空中并非自在的飞翔,而是总要考虑地球、太阳、月球等大天体的引力效果。假如要从地球动身去往月球邻近,最常用的途径是一条被称为“霍曼搬运轨迹”的途径。搬运轨迹是一条大椭圆轨迹,椭圆的一侧挨近地球,而另一侧则坐落月球邻近。去往月球的勘探器由地上发射后,首要由火箭的上面级供给能量,加快进入这条地月搬运轨迹。待抵达月球邻近后,再利用本身或火箭上面级的发动机减速,被月球引力捕获,从搬运轨迹上脱离,成为盘绕月球的飞翔器。

在嫦娥一号使命中,不管是在地球邻近仍是在月球邻近,都要通过屡次轨迹调整的进程。在地球邻近,嫦娥一号首要进入了一条周期为16小时的轨迹,之后又连续进入了周期为24小时和48小时的轨迹。在这三条轨迹上一共运转调整五天后,嫦娥一号才进一步进入了地月搬运轨迹。而在月球邻近,它则先减速进入了一条盘绕月球的12小时轨迹,之后通过3.5小时轨迹过渡后终究进入了周期约2小时,间隔月球外表约200km的作业轨迹(也称“使命轨迹”)。

嫦娥一号轨迹示意图

到嫦娥二号时,飞船测控和动力操控技能的进步使得嫦娥二号在发射后由运载火箭直接送入了地月搬运轨迹,无需在地球邻近进行三次轨迹调整。而抵达月球邻近后,还需求像嫦娥一号那样逐渐进行轨迹调整。而在嫦娥三号使命时,除了发射后直接进入地月搬运轨迹外,嫦娥三号在月球邻近减速制动时也无需再调整三次,直接进入了间隔月球外表约100公里的圆轨迹。

嫦娥二号轨迹示意图,在地球邻近没有通过三次轨迹调整,而是直接进入了地月搬运轨迹

看起来,去往月球似乎是一件随时都能够动身的事,只需事前计算好进入进入搬运轨迹的机遇和方位,使得抵达搬运轨迹的远地点时刚好和月球相遇就能够了。可是,在实践使命中,在火箭运载才干必定的状况下(不管火箭推力多大),要将分量尽可能大的有效载荷成功送到月球,就要考虑对轨迹规划的各种束缚要素。例如,搬运轨迹的轨迹倾角遭到发射场方位的束缚,不能低于发射场的地理纬度。一起,西昌卫星发射基地坐落内陆区域,为了确保火箭飞翔进程中完结作业的助推器、一子级等不落入人口稠密区域,对火箭的飞翔方向也有束缚,进一步束缚了能够进入的搬运轨迹。此外,地月搬运轨迹和飞翔器在月球的使命轨迹有必要相匹配,使飞翔器以较为节约燃料的方法脱离搬运轨迹。

嫦娥三号轨迹示意图,脱离搬运轨迹后直接进入了盘绕月球的圆轨迹

尽管现在还没有关于嫦娥四号发射窗口状况的揭露材料,但依据上文介绍的那些束缚束缚和以往使命的状况,在一段时刻内发射窗口的数量对错常有限的。一起,嫦娥四号的作业需求鹊桥中继星的合作,嫦娥四号要在中继星成功发射半年、作业状况现已安稳后才干起程奔月。鹊桥和嫦娥四号的中继星的发射窗口还要相互合作,对各自的发射时刻给出了进一步的束缚。因而,嫦娥四号之所以要在月球邻近“等天亮”,很大程度上也是由轨迹与发射窗口的束缚所决议的。

依照方案,嫦娥四号从发射到着陆的飞翔时刻约为27天。当2019年新年的钟声敲响的时分,咱们也能够静候这位我国派往月之暗面的使者,将会在2019年伊始给咱们带来新的惊喜。

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