美国NASA微型月球探测器,为什么需要用4个月才能到达月球?

月球是地球唯一的卫星,同时也是人类目前发射探测器数量最多、人类足迹所能到达过的最远星球。自从上世纪60年代末70年代初美国执行阿波罗计划、先后将12名宇航员送上月球之后,50多年来就再也没有人类再次踏上月球。

随着我国嫦娥探月工程取得了重大成就,几十年后再次将月球土壤样本送回地球,而且我国在航天白皮书中明确指出,在未来数年之内将实施载人登月计划,并且在月球上面建造永久性月球基地,我们的这些成绩和未来宏伟计划,深深地刺激了以美国为首的一些航天大国,纷纷重启探月计划,这里面以美国的阿尔忒弥斯计划最为出名。


不过,受到资金、技术等多方面因素的影响,阿尔忒弥斯计划的第一阶段任务执行起来困难重重,大家在网络上应该多次看到,今年以来,美国NASA围绕该计划所执行的火箭“湿式彩排”(即向火箭注入燃料)的测试工作,连续好几次都失败了,其第一阶段无人火箭的发射时间一推再推,可以肯定的是,阿尔忒弥斯计划最终执行后续的载人探测任务时间,也会相应地推迟。


虽然重登月球第一阶段的火箭发射任务暂时还没有着落,但是美国NASA又着手实施阿尔忒弥斯计划的另外一个重要组成任务,即建设月球的轨道空间站。这不,6月28日,美国NASA在新西兰通过火箭实验室的“电子火箭”,向月球发射了一颗“CAPSTONE”卫星。


“CAPSTONE”卫星是美国NASA执行月球轨道空间站建设所发射的第一颗卫星,其主要功能就是开展地月自主定位系统技术操作以及导航实验,未来还将要发射若干颗这样的卫星,从而形成一个卫星通讯的枢纽,从而为从月球和地球两者定期往返提供基础保障和便利条件。

“CAPSTONE”卫星的基本模块是CubeSat,是一个边长约10厘米的正方体结构,重量只有2千克左右,用手就能轻松地拿动。而通过“电子火箭”发射的“CAPSTONE”卫星,包含着12个这样的模块,最终构成的卫星基本上和一个微波炉差不多大,因此这样的卫星也被称为“立方体卫星”。


根据公开的消息,已经发射的首颗“立方体卫星”,将于11月13日抵达月球。看到这里,估计很多小伙伴们都惊呆了,月球和地球的距离只有38万公里,即使在50年前的阿波罗登月计划,从地球到月球也仅用了3天时间,为什么“立方体卫星”需要4个多月呢?

原来一切都与资金投入有关。

美国NASA其实在1998年到2022年6月之间,已经发射了1800多颗这样的立方体卫星,只不过绝大部分都是在地球上空运行的,只有两颗跟随着洞察号探测器抵达了火星。2019 年,NASA与私人公司 Advanced Space 签约,以 1370 万美元建造 CAPSTONE。大家要知道,即使是最简陋的大型月球探测器,其花费的成本也可能要比立方体卫星高出一个数量级。


因此,立方体卫星以其显著的低成本,成为一些发展中国家、缺乏航天技术、研究团体、初创公司等进行太空探索的重要选择对象。而为了控制成本,在向月球发射立方体卫星时,如何选择“最省油”的路线,成为NASA研发团队需要重点攻关的内容。

于是,经过相应的模拟运算,研究团队还真找到了一条轨迹线路,那就是弹道月球转移轨迹(BLT),这个轨道是一种低能量传输线路,卫星将依靠太阳、地球和月球引力的相互作用,从月球的一个极点到另一个极点的路径上,沿着一个恒定的椭圆形轨道围绕月球运行,其中近月点只有3400公里左右,而远月点达到76000公里。

这颗卫星将在被拉回地球-月球系统之前,被带到距离地球130万公里的地方,在那里立方体卫星才会被释放出来,然后缓慢滑入其所需的绕月轨道,而滑入绕月轨道的时间为今年的11月13日左右。正因为这样,这颗卫星到达月球的时间才会长达4个多月的时间,在历史上,还没有哪颗月球探测器采用这样的方式绕月飞行,因为这条线路无疑是相当迂回和费时的。

目前,已经发射的CAPSTONE正在朝着近乎直线的“椭圆轨道”行进,由于属于首次进行这样的飞行,NASA在卫星入轨过程中,必须想方设法验证这条轨道的稳定性以及是否真的能“省油”,预计该卫星需要在进入近直线晕圈轨道(NRHO)后,至少停留6个月的时间,以便研究人员对其开展各方面的测试。