注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

嫦娥二号的新旅程  

2011-05-18 21:44:29|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

我要飞的更远 - squirrel - 松鼠的空天随笔
我要飞的更远!
       一直记得嫦娥二号发射前,长三丙火箭发射试验队出征仪式上的这个主题。由于嫦娥二号发射使用直接入轨方式,长征三号丙遥七火箭是我国飞得最远的火箭,远地点直接到了月球附近。根据IAU的观测记录,2010年11月初发现长征三号丙末级火箭的近地轨道飞行物,轨道为近地点244195千米X远地点434042千米,近地点和远地点的提升是受到月球引力影响加速的结果,同样受到影响的还有轨道倾角,大幅度增加到78.4 °。 我要飞的更远,我很喜欢这句宣言,不过这次是飞得更远的是嫦娥二号。根据5月17日的报道,嫦娥二号完成任务后6月中旬将启程前往日地第二拉格朗日点(L2),深入到距离地球150万千米的深空,它将创造我国深空探测最远距离的记录。根据此前我国航天测控发展的相关论文,在新一代大口径测控天线(18米/35米/40米/64米)投入使用之前,这恐怕是我国现有12米直径天线的测控系统所能支持的极限了。
我要飞的更远 - squirrel - 松鼠的空天随笔
5个拉格朗日点示意图,嫦娥二号将从月球飞向L2点
       日地系的拉格朗日点长期以来一直是科幻小说钟情的目标,从日地系L3子虚乌有的Planet-X到日地系L5经久不衰的L5 Soceity,不过目前日地系拉格朗日点真正得到应用的是L1和L2点。拉格朗日点是法国数学家拉格朗日在1772年推导证明的,本身是三体问题在限制性平面圆形条件下的特殊解,根据推算共有5个拉格朗日点,分别为L1~L5,天体在拉格朗日点处于相对稳定的状态。L1是日地引力在日地连线的此处平衡,L2是地球引力减小了这个位置的轨道周期(绕行太阳的轨道和绕行地球的轨道一样,轨道半径越大周期越长,具体公式参见中学物理教科书),他们的稳定很容易理解。L3则是日地围绕共同质心旋转的结果,L4和L5的平衡则是此处日地引力的合力恰好指向日地系共同的质心,理论上说两个天体的质量差大于24.96时才会出现L4和L5的稳定点。从势能图上看,很容易观察发现L1,L2,L3点并不稳定,马鞍状的曲面上在外力作用下脱离原有轨道原有轨道位置。类似的,L4和L5似乎应该更不稳定,势能图上L4和L5处于势能最高点,相当于山顶的位置,更容易脱离获得加速一去不返。不过实际上由于引力摄动等原因,如果一个飞行器受到扰动飞离L4或L5点,会在摄动的影响下再飞回L4或L5点。
我要飞的更远 - squirrel - 松鼠的空天随笔
各个拉格朗日点的势能示意图,L4和L5点在势能顶点,但天体可以在引力摄动下返回原来的轨道位置
       由于这个特点,一直以来日地系的L4和L5点都是科幻小说中空间殖民的首选目标之一。日地系的L1点由于处在日地之间,可以避免地球的遮挡,也比地球更早受到太阳活动的影响,则是对日观测探测器的上佳之处,美国和欧洲的ISEE-3、SOHO、WIND等探测器都置于日地系L1点(EL1)附近的轨道,我国规划中的夸父计划也有一颗探测器夸父-A位于EL1轨道。日地系的L2点(EL2)处于地球轨道之外,则通常用于放置大型天文望远镜等探测器用于天文观测,目前EL2点已经存在欧空局的赫歇尔(Herschel)和普朗克(Planck)天文望远镜,2014年左右接替哈勃天文望远镜的新一代望远镜詹姆斯韦伯(JWST)也将飞往EL2轨道,我国嫦娥二号月球探测器确定的新家正是EL2轨道。
       由于EL2处的轨道周期和地球一致,我们很容易判断出拉格朗日点的天体并不遵循开普勒归纳的行星运动三大定律,轨道不是开普勒轨道。拉格朗日点的天体运动属于圆形限制性三体问题,不过L2点的轨道并不是将探测器固定在L2点上,而是一个围绕L2点运动的复杂轨道,可以简单分为晕(Halo)轨道和李萨如(Lissajous)轨道。这样的EL1轨道主要是为了降低太阳活动对航天器-地球通信的干扰,EL2则降低了日食对航天器的影响。提起日食,我们对月球遮挡形成的日食非常熟悉。日食分为日全食、日环食和日偏食,观测到日全食的区域处于月球的本影(umbra)范围,观测到日环食的区域处于半影(antumbra)的区域内,观测到日偏食的区域处于月球半影(penumbra)的区域内,L2点地球遮挡形成的日食也与此类似。根据地球半径6378千米,太阳半径695000千米,日地距离
嫦娥二号的新旅程 - squirrel - 松鼠的空天随笔
不同月食的原理图
1.5亿千米和L2点到地球距离150万千米的数据很容易推断出:地球的本影锥长度只有138.5万千米,L2点不受本影影响,这意味着L2点一直能看到阳光;虽然不受本影影响,但日环食和日偏食还是存在的,L2点antumbra区域的直径为1050千米,penumbra圆环区域的圆环宽度为6378.6千米,L2点受到地球阴影影响的影锥半径为6900千米。在阳光最差的日环食区域的蚀份为0.917(直径),虽然仍然可以得到16%的阳光,不过对航天器的正常工作显然是不够的。无论是Halo轨道还是Lissajous轨道,都有很大的振幅半径(Lissajous可达10万~20万千米,Halo轨道如JWST达到了惊人的80万千米),可以避开阴影区域。

        Halo轨道为围绕拉格朗日点的周期性轨道,Lissajous轨道为准周期轨道。欧空局的普朗克和赫歇尔望远镜使用围绕日地系L2点的Lissajous轨道,美国空天局的韦伯望远镜将使用L2点的Halo轨道。目前的报道中并没有提及嫦娥二号将使用较为常用的Lissajous轨道还是为夸父-A探测器验证Halo轨道的控制技术。不过Halo轨道的入轨时间较长,个人判断嫦娥二号很可能进入日地系附近的Lissajous轨道。嫦娥二号6月中旬的转移轨道,由于没能要到STK的授权,更没有嫦娥二号转移时间、轨道和速度等详细信息,我无法做出可靠有效的模拟,不过找来其他探测器轨道转移的图张冠李戴还是可以的。
嫦娥二号的新旅程 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 美国2001年WAMP探测器进入L2点Lissajous轨道的飞行图,途中经月球借力加速
        嫦娥二号进入EL2轨道的决定,其实让我个人感到十分的疑惑。EL2轨道一般用来作为天文望远镜的绝佳场所,但是嫦娥二号作为月球探测器,并没有什么值得一提的天文观测能力,嫦娥二号的CCD立体相机口径太小焦距太短,并不适合对遥远天体进行观测,无法得到什么有价值的天文观测发现,当然这台小口径短焦距相机做做验证还是可以的,但在在EL2轨道能发挥什么作用很值得怀疑;如果说探测空间环境的话,太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器在月球轨道和日地系L2点的差别并没有多大,探测太阳活动的话去EL1轨道点其实更好一些。如果以探测太阳活动为目标,定位于EL2轨道显然有南辕北辙的嫌疑;如果说要为探月计划后继的二、三期工程积累技术经验的话,其实嫦娥二号更好的去处是地月系的L2点轨道(LL2)。航天期刊《宇航学报》的论文曾提及在后继探月计划中使用数据中继卫星,由于地月距离极远对中继卫星天线指向要求极高,模拟估算要达到0.01~0.06°的精度。在LL2点的Lissajous轨道上放置数据中继卫星,十分有利于实现对中继卫星的准确跟踪,降低技术难度。使用LL2轨道的数据中继卫星不仅可以满足月球正面探测的需求,还可以实现对月球背面的数据中继。LL2点的数据中继卫星以及LL2的Lissajous轨道最初就是美国在阿波罗计划的时代提出的,1966年提出后在LL2点的Halo轨道放置中继卫星,甚至还曾计划在阿波罗17号实现月球背面着陆的探测,不过由于预算问题最后无疾而终。
嫦娥二号的新旅程 - squirrel - 松鼠的空天随笔
美国曾设计过的LL2 Halo轨道数据中继卫星方案
月球背面的探测是很有吸引力的,人类迄今所有的着陆器都在月球正面,黑暗寒冷的背面会有什么惊喜呢?作为航天和深空探测的爱好者,我非常希望我国探月计划将来的嫦娥X号探测器能实现月面背面的着陆探测,即使拖到嫦娥六号实现,也很可能会是人类历史上首次月球背面的实地探测,在我国载荷性能较差的情况下,这是我国月球探测获得突破性成果的计划唯一可能了。虽然说月球背面探测未必会发现什么,但机会总是留给有准备的人,印度Chandrayaan-1/月船一号发现月球极区有水,就是别出心裁SAR雷达探测极区水分子的结果。如果我国探月计划只是循规蹈矩的在正面重复着陆-返回的步骤,可以肯定无法获得突破性的科学发现;如果说要为夸父计划做前期准备的话,转移到EL1轨道是更好的设计。如果由于缺乏深空发射和轨道测控能力而将夸父-A交给外国公司发射,对中国航天是不可承受之轻。在夸父-A正式发射前使用嫦娥二号练手是很合理的选择,从月球轨道到日地系L1和L2的速度增量大致相同,直接飞往EL1轨道可以直接验证跨服任务的轨道控制和深空测控技术,为夸父计划的EL1轨道探测器发射打好基础。
嫦娥二号的新旅程 - squirrel - 松鼠的空天随笔
两次绕行地球借力的转移轨道,三次加速的累计delta-v仅需要70米每秒
       不过话说回来,EL2轨道未必是嫦娥二号的最终归宿。以嫦娥二号此前完成的任务看,燃料还有很大的剩余,在转移到EL2轨道之后,如果使用较为高效的轨道转移方法,肯定可以满足日地系L2到L1的轨道转移。根据外国论文的资料,EL1的Halo轨道到EL2的Halo轨道的转移,如果完全不借助地球引力,需要的速度增量之和为306米每秒。如果一次绕行地球则可以降低到224米每秒,如果两次绕行最终可以降低到70米每秒。当然这不是没有代价的,两次绕行地球的转移轨道所需时间和轨道飞行路程也最远,转移时间达到了319天,而不绕行地球轨道的转移时间只有181天。嫦娥二号使用类似的两次绕行地球的转移轨道,从EL2轨道到EL1轨道转移所需速度增量相差不大,嫦娥二号剩余燃料完全可以满足。如果实现EL2到EL1的低能量轨道转移,可以说是我国在深空探测能力的一项显著进步。虽然日本早在1991年的飞天(Hiten)月球探测器上就实现了低能量转移,并且日本飞天探测器是世界上首次利用弱稳定边界的低能量转移,但子卫星的转发器失效整个任务多少有些遗憾,嫦娥二号如果完成低能量转移则是完成任务后的锦上添花,期待真的会有这一幕。太阳系各个星体之间的低能量转移轨道并非孤立,通过不变流形的理论计算,将可以实现太阳系各大行星间的低能量转移飞行,这就是近年来日益热门的行星级高速公路(IPS)设想。
嫦娥二号的新旅程 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 IPS艺术想象图,低能量转移轨道可以用很小的能量实现行星际转移,是传统霍曼转移轨道望尘莫及的
理论上说,EL1和EL2处空间是IPS的入口,在此处可以以很小的速度增量实现极大范围的轨道转移,结合利用传统的霍曼转移和新的低能量转移方法,可以以极小的速度增量实现穿梭于各个行星之间。从这个意义上说,如果嫦娥二号要发挥余热的话,还有更大的潜力可挖,如果有精度的太阳系内重力场资料,通过精密的计算,嫦娥二号通过低能量转移轨道可望飞向更远的深空。

补充:
http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2011-08/31/nw.D110000gmrb_20110831_1-06.htm
卫星剩余的有效燃料,还能提供130米/秒的速度增量,而从现在持续到明年年底的绕飞,需要96米/秒的速度增量,这样,嫦娥二号尚有大约30米/秒的速度增量余量。这是卫星完成任务的基本保障。”

按照周建亮总师的解说,1年后嫦娥二号的燃料,去不了EL1了,更不要说更远的地方。不过说起来如果不是6月再次降低轨道重复对虹湾的拍照等扩展任务,燃料应该可以多很多的。不过当时看来去EL2本来就是试验性的操作,成败还是未知数,自然优先去看虹湾了


  评论这张
 
阅读(3688)| 评论(12)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017