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(jìn)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(jī)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(dá)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(jī)動、五次進(jìn)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(jìn)行小推力的發(fā)動機(jī)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(dá)目的地時，再進(jìn)行一次較大的點火操作來進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)行大幅推進(jìn)操作的情況下，通過引力捕獲進(jìn)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(jī)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行通信。它比DRO-A星和B星早一個月發(fā)射，進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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）