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。人類在實際登月時，卻發現完全不是那樣輕松簡單。首先是路途遙遠，其次是同球和地球都在運動，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?？茖W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，地球不停地在自傳，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，這樣使得準確發射探測月球的航天器更加困難。

為什么不將航天器直接發射到月球？

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”，也需要連續翻7個筋斗云……

我國發射“嫦娥一號”首顆探月衛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。將航天器直接發射到月球的軌道上，是最節省時間的方法，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噸的有效載荷發射到月球軌道，將120噸的有效載荷發射到地球軌道。

“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”衛星選擇的是最省燃料的軌道?！版隙鹨惶枴狈磸妥冘壍脑蚴且驗槟壳拔覈鸺屏Σ粔虼?，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，我國第一顆探月衛星“嫦娥一號”成功發射，經歷10次變軌，進入月球軌道。“嫦娥一號”衛星在發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、環月軌道。這3次變軌目的都是加速，每變軌一次，衛星的速度就增加一點，通過3次累積，衛星加速到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，中國發射的衛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星，是以中國古代神話人物嫦娥命名的，由中國空間技術研究院承擔研制，于2007年10月24日18時05分在西昌衛星發射中心搭乘長征三號甲運載火箭順利發射升空。衛星總重量為2 350千克左右，尺寸為2 000毫米×1 720毫米×2 200毫米。在圓滿完成各項使命后，于2009年3月1日撞向月球預定地點。

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

嫦娥三號是我國第一個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30分在我國西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭送入太空，當月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，并陸續開展了“觀天、看地、測月”的科學探測和其他預定任務。

嫦娥四號登月探測器，簡稱“四號星”，是嫦娥三號的備份星，其主要任務是在嫦娥三號著陸月球表面探測的基礎上，繼續更深層次、更加全面地科學探測月球地質、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實施無人月面取樣返回的航天器。其計劃在嫦娥工程三期中完成月面取樣返回任務，是該工程中最關鍵的探測器。嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個部分組成。探測器預計在2017年由長征五號運載火箭在海南文昌衛星發射中心發射升空，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。