美國NASA微型月球探測器,為什麼需要用4個月才能到達月球?

月球是地球唯一的衛星,同時也是人類目前發射探測器數量最多、人類足跡所能到達過的最遠星球。自從上世紀60年代末70年代初美國執行阿波羅計劃、先後將12名宇航員送上月球之後,50多年來就再也沒有人類再次踏上月球。

隨著我國嫦娥探月工程取得了重大成就,幾十年後再次將月球土壤樣本送回地球,而且我國在航天白皮書中明確指出,在未來數年之內將實施載人登月計劃,並且在月球上面建造永久性月球基地,我們的這些成績和未來宏偉計劃,深深地刺激了以美國為首的一些航天大國,紛紛重啟探月計劃,這裡面以美國的阿爾忒彌斯計劃最為出名。


不過,受到資金、技術等多方面因素的影響,阿爾忒彌斯計劃的第一階段任務執行起來困難重重,大家在網路上應該多次看到,今年以來,美國NASA圍繞該計劃所執行的火箭「濕式綵排」(即向火箭注入燃料)的測試工作,連續好幾次都失敗了,其第一階段無人火箭的發射時間一推再推,可以肯定的是,阿爾忒彌斯計劃最終執行後續的載人探測任務時間,也會相應地推遲。


雖然重登月球第一階段的火箭發射任務暫時還沒有著落,但是美國NASA又著手實施阿爾忒彌斯計劃的另外一個重要組成任務,即建設月球的軌道空間站。這不,6月28日,美國NASA在紐西蘭通過火箭實驗室的「電子火箭」,向月球發射了一顆「CAPSTONE」衛星。


「CAPSTONE」衛星是美國NASA執行月球軌道空間站建設所發射的第一顆衛星,其主要功能就是開展地月自主定位系統技術操作以及導航實驗,未來還將要發射若干顆這樣的衛星,從而形成一個衛星通訊的樞紐,從而為從月球和地球兩者定期往返提供基礎保障和便利條件。

「CAPSTONE」衛星的基本模塊是CubeSat,是一個邊長約10厘米的正方體結構,重量只有2千克左右,用手就能輕鬆地拿動。而通過「電子火箭」發射的「CAPSTONE」衛星,包含著12個這樣的模塊,最終構成的衛星基本上和一個微波爐差不多大,因此這樣的衛星也被稱為「立方體衛星」。


根據公開的消息,已經發射的首顆「立方體衛星」,將於11月13日抵達月球。看到這裡,估計很多小夥伴們都驚呆了,月球和地球的距離只有38萬公里,即使在50年前的阿波羅登月計劃,從地球到月球也僅用了3天時間,為什麼「立方體衛星」需要4個多月呢?

原來一切都與資金投入有關。

美國NASA其實在1998年到2022年6月之間,已經發射了1800多顆這樣的立方體衛星,只不過絕大部分都是在地球上空運行的,只有兩顆跟隨著洞察號探測器抵達了火星。2019 年,NASA與私人公司 Advanced Space 簽約,以 1370 萬美元建造 CAPSTONE。大家要知道,即使是最簡陋的大型月球探測器,其花費的成本也可能要比立方體衛星高出一個數量級。


因此,立方體衛星以其顯著的低成本,成為一些發展中國家、缺乏航天技術、研究團體、初創公司等進行太空探索的重要選擇對象。而為了控制成本,在向月球發射立方體衛星時,如何選擇「最省油」的路線,成為NASA研發團隊需要重點攻關的內容。

於是,經過相應的模擬運算,研究團隊還真找到了一條軌跡線路,那就是彈道月球轉移軌跡(BLT),這個軌道是一種低能量傳輸線路,衛星將依靠太陽、地球和月球引力的相互作用,從月球的一個極點到另一個極點的路徑上,沿著一個恆定的橢圓形軌道圍繞月球運行,其中近月點只有3400公里左右,而遠月點達到76000公里。

這顆衛星將在被拉回地球-月球系統之前,被帶到距離地球130萬公里的地方,在那裡立方體衛星才會被釋放出來,然後緩慢滑入其所需的繞月軌道,而滑入繞月軌道的時間為今年的11月13日左右。正因為這樣,這顆衛星到達月球的時間才會長達4個多月的時間,在歷史上,還沒有哪顆月球探測器採用這樣的方式繞月飛行,因為這條線路無疑是相當迂迴和費時的。

目前,已經發射的CAPSTONE正在朝著近乎直線的「橢圓軌道」行進,由於屬於首次進行這樣的飛行,NASA在衛星入軌過程中,必須想方設法驗證這條軌道的穩定性以及是否真的能「省油」,預計該衛星需要在進入近直線暈圈軌道(NRHO)後,至少停留6個月的時間,以便研究人員對其開展各方面的測試。