嫦娥五号仅用5天飞到月球,为什么韩国月球轨道器耗时达134天?

嫦娥五号仅用5天飞到月球,为什么韩国月球轨道器耗时达134天?

航天强国韩国也要“探月”了!2022年8月5日,韩国月球轨道器“赏月”(Danuri)搭乘“猎鹰9”火箭从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角航天中心发射升空,开启它的环月之旅,届时韩国将成为全球第7个拥有月球探测器的国家。如果一切顺利,“赏月”将在12月16日(世界时)到达月球轨道,前后历时达134天

有朋友表示好奇:记得我们的嫦娥5号月球着陆器是2020年11月24号发射,28号就进入了环月轨道飞行,总共只用时不到5天;同样是从地球飞到月球,为什么韩国的探测器竟需要4个半月?它到底是怎么飞的?

猎鹰9号是许多航天迷心中的“梦想火箭”,它运力强大,能将8.3吨的有效载荷推到地球同步轨道,它还可以“回收重复使用”。当然了,猎鹰9号在回收一级火箭时的GTO载荷只有5.8吨。

相比之下,发射“嫦娥五号”月球探测器的长征五号火箭GTO运载能力达14吨,它不能回收,一些网友对此耿耿于怀。

但一个有趣的现象是:韩国“赏月”号轨道器总发射质量仅678千克,嫦娥五号重达8.2吨,是前者的12倍!为什么“大马拉小车”的猎鹰9火箭竟要花134天才把“赏月”送到月球?

从SpaceX公司发布的猎鹰9号火箭数据看,它能将大约4吨的载荷送去火星,按理说发射一个几百千克的探测器去月球应该绰绰有余。但“赏月”号升空后却走了一条非常奇怪的“8”字形路径,它最远竟飞到了距离地球150万公里的地方,远远超出了地球到月球38万公里的距离:

为什么“赏月”号要舍近求远多飞几百万公里,为此多耗100多天?既然美国猎鹰9火箭动力充沛,直接送它去月球不香吗?抑或“赏月”除了赏月之外还有别的探测任务?

包括中国嫦娥四号、嫦娥五号、美国月球勘测轨道器(LRO)以及阿波罗飞船在内,许多月球发射任务都采用“一箭直达”的方式:用火箭将探测器直接推送到月球,然后由探测器开启发动机减速,被月球引力捕获,再绕着月球飞行,这种地月转移轨道被称为“霍曼轨道”。

“霍曼轨道”的好处显而易见:速度最快,用时最短。特别对于载人登月而言,时间更是宝贵,宇航员在太空多呆一天就多一天的消耗,也多一分风险。同时它对飞船的要求也更高:我们需要更强大的飞船发动机来进行轨道机动,要携带更多推进剂,探测器因此更大更重;需要更精确的轨道计算和测控,发射窗口也得精确到秒,机会稍纵即逝。

韩国显然不具备这些技术。“赏月”号总重678千克,干重(不包含推进剂的质量)550千克(其中有效载荷质量仅40千克),也就是说它仅携带了128千克的燃料。这些燃料需要用来进行多次变轨,还得支持其长时间的绕月轨道机动。采用“弹道式入轨”,以时间来换取低能量轨道转移(LET),是不得已而为之的做法。

猎鹰9号火箭推力强大,它能给“赏月”一个很快的初速度,使它飞到距离地球约150万公里远的“地日拉格朗日L1点”附近,然后在地球的引力作用下,“赏月”开始往回走、向着月球的方向运动,最终与月球轨道重合,并被月球引力捕获。

这样做的好处除了节省飞船自身的燃料外,还可以“扩大”发射窗口,不需要像嫦娥五号那样把发射时间“卡到秒”。“弹道式入轨”技术含量更低,更保险。

与韩国借用猎鹰9号火箭发射不同,航天强国印度面临的却是另一个难题——火箭推力不足。

2019年7月22日,印度用GSLV Mark III-M1火箭发射“月船2号”,火箭推着飞船绕地球兜兜转转N多圈,利用地球重力一点一点地加速,最后花了29天时间才把“月船”送达环月轨道,比韩国快100多天。

“月船2号”着陆器“维克拉姆”最终以零件形式登陆月球,取得了95%的成功。

“道路千万条,安全第一条”,向月球发射探测器不仅需要强大而稳定的火箭,需要有强大而稳定的飞船,还需要有极精确的遥测和遥控技术加持。

火箭强劲、飞船动力不足,就得兜兜转转,花大量时间来弥补;若火箭不行,也需要耗费许多时间一点点变轨,才能把飞船送到位。只有各方面的技术都到位了,才能飞出完美的霍曼转移轨道,用最短的时间将探测器送到月球。

航天强国讲的是科学,单靠吹肯定是不够的。

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