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嫦娥四号为什么要在太空中飞行27天那么久才到月球?
今天凌晨2:23嫦娥四号发射成功,不久后就成功进入地月转移轨道,完成了登月的第一步,开始了向月球飞行的旅程,但要需要27天才会软着陆月球。
探测器登月自然不像开汽车那样直来直去,在地球上发射将嫦娥四号推入了远地点42万公里的地月转移轨道,这个轨道可比地球和月球之间的距离还大,距离又这么远,自然不可能着陆。在轨道上,嫦娥四号需要经过不断地调整飞行速度等运行参数,使嫦娥四号不断地接近月球,直到降低到合适高度,调整好参数后,在合适的时机启动软着陆程序,由于是在月球背面登陆,就需要先期发射的鹊桥号中继卫星中转地***号并不断修正轨道。
而这个调整阶段是27天,快一点其实也可以,但是那样的话需要探测器携带更多的燃料,对发射和过程中轨道调整的要求也高一些,嫦娥四号进入月球100公里轨道需要两周左右的调整,但入轨后是月球夜晚,需要等到白天登陆,大约又是半个月,加起来小一个月时间。嫦娥四号与嫦娥三号一样,***用登陆器和巡视车两部分,到达月球后,登陆器将巡视车释放出来,对月球背面的冯卡门陨石坑展开巡视探测。
登陆器也携带着一个特殊的“箱子”,装着探头和几种植物***,用于试验地球生物在月球人造环境中的生长试验,鹊桥号和嫦娥四号都带有低频射线探测仪,可以在月球背面环境捕捉更弱的信号,在月背进行深空探测试验,探讨将来人类在月球背面建观测基地的可能性。
其实嫦娥四号完全不用飞行那么长的时间,地球与月球的平均距离大约是40多万公里!2006年使用Atlas V 551火箭发射的“新视野号”探测器,只用了不到9个小时的时间就穿过了月球轨道,同样的距离阿波罗登月飞船用力3天!这是因为的发射速度是人类有史以来最快的,发射后就具备59384公里\小时的速度。
(新视野号飞行轨迹)
这个速度不经过任何引力弹弓加速的情况下,只用了13个月就略过了木星轨道!又是同样的距离伽利略号探测器却用了4年!可见发射速度的重要性。新视野号经过这个太阳系第一大行星加速之后,又用了9年的时间终于抵达太阳系边缘冥王星轨道,而它的前辈旅行者号整整用了41年走完这个距离。
(看得出来这27天内嫦娥四号飞船绕地球和月球好多圈)
旅行者号用了木星、土星两次引力弹弓效应来加速,但是飞行速度还是比不上新视野号,在起跑线上就输给了后者,这是决定它的星际旅程漫长的主要原因!我们的嫦娥四号探测器发射速度还不得而知,但是根据这27天的地月轨道机动时间不难断定,我们的发射火箭能提供的速度并不高。
嫦娥四号的登月之旅并非一蹴而就,前期需要做好充分的准备才能实施登月任务。从发射到最终登陆月球表面,嫦娥四号期间还需经过三大步骤,这就使它在太空中要飞行大约27天的时间。
第一步,地月转移。火箭经过一千多秒的时间把嫦娥四号送入地月转移轨道,这是一条近地点为200公里、远地点为42万公里的环绕地球椭圆轨道,嫦娥四号目前正在沿着这条轨道奔赴月球。经过4天的时间,嫦娥四号将会飞到地月转移轨道的远端,那时它将距离地球42万公里。
第二步,近月制动。在嫦娥四号抵达地月转移轨道的远端之后,需要通过反推火箭给探测器减速。经过恰到好处的制动之后,嫦娥四号才能顺利被月球的引力捕获,从而以一个轨道高度为100公里的圆形轨道绕月飞行。
第三步,环月飞行。接下来的二十几天,嫦娥四号会一直绕着月球飞行。在此期间,嫦娥四号会适时变轨进入近月面只有15公里的椭圆轨道。与此同时,嫦娥四号还会与在轨多时的鹊桥号中继卫星进行通信连接,为最终着陆做好准备。
由于进行第一次近月制动时还是月球背面的黑夜,而月球的自转周期大约为27.3天,所以嫦娥四号将要等上很长一段时间才能再次迎来月球背面的白天。选择在月球背面的上午着陆,这样嫦娥四号才能利用太阳能在月表开展各项工作。
2018年12月8日2点23分,嫦娥四号在西昌卫星发射中心成功发射,将于27天太空飞行之后着陆于月球背面,开启了新一轮的探月之旅。虽说嫦娥四号是嫦娥三号的备份卫星,但这次嫦娥四号科学意义和嫦娥三号截然不同,嫦娥四号将尝试人类首次登陆月球背面的壮举,对月球背面进行一些列科学和工程研究。
很多人可能有点疑惑,不是说发射成功了吗?为何嫦娥四号还要经过27天太空飞行才能够登月呢?
其实,登陆月球看似简单,但真正实施起来过程是非常复杂的,特别是登月轨道的和登月时间的选择,都是需要经过大量的计算才能够得出的。而登月的路线已不是一个直线,是分步骤分阶段一点一点地飞往月球,然后再调整轨道降落在背面。下面是一张常用的登月轨道模拟图:
从途中我们可以看出,嫦娥四号发射后并不是立马奔向月球的,而是先绕地球几圈,等到得到的速度足够大,再利用地球的引力弹弓效应进入奔月轨道,向月球飞去。等到了月球的引力范围后,嫦娥四号还需要再次降低自己的速度和高度,保证能够安全登陆月球,这中间就要花费不少的时间。
另外一方面,月球自转一次需要28天,也就是说,月球的一个昼夜要28天时间。而目前月球背面处于黑夜,所以嫦娥四号还需要等到月球背面刚好时候白天的时候才能够登月。因为嫦娥四号在月球夜晚不仅获取不到太阳光,而且温度还极低,会极大增加登月风险。
图:嫦娥四号登月过程总结图
所以,零零总总的时间算下来,嫦娥四号得在太空中飞行27天才能够得到一个极佳的登月时间,实现月球背面软着陆。
答:我国嫦娥四号总设计师孙泽洲,在央视第四套节目中解释过这个问题,原因和月球公转时间有关(为了让嫦娥四号在月球白天登陆),也为嫦娥四号在月球轨道提供足够时间实施变轨工作。
月相知识
要解答这个问题,我们先来了解一点必要的天文知识:
(1)月球始终一面朝着地球,月球公转周期等于自转周期,一个周期是27.32天;
(2)月球跟着地球绕着太阳旋转,于是月相周期滞后于月球公转周期;
(3)月相周期是29.5天(既阴历的一个月),导致月球上的一个白天或者一个夜晚,就是地球的14.75天;
(4)农历月初,从新月开始,历经上弦月、满月、下弦月;2018年12月8日是冬月初二,月相处于新月到上弦月的过渡;
以上就是月相知识,我们知道,月球距离地球38万公里,而一般宇宙飞船从地球出发,大概一周左右就能到达月球。
需要在月球的白天登陆
嫦娥四号的能源供给方式,主要是太阳能发电和同位素温差发电(核电池),月球白天温度可达150℃,夜晚温度会下降到-170℃,夜晚时同位素热源会给设备加热,以保证设备的正常运行。
据我国嫦娥四号总设计师孙泽洲说,为了保证嫦娥四号登月后就能得到充分的太阳光能,以便探测器展开工作,就需要选在月球背面的白天着陆。
嫦娥四号日程推算
然后我们来估算一下,嫦娥四号的日程时间:
(1)12月8日发射时,此时月球背面正好完全处于白天;
(2)12月15日左右到达月球,此时月球背面有一半处于白天,另外一半处于黑夜,而且月球背面即将全部变为黑夜;
(3)12月22日左右,月球绕到地球阴影一面(满月),此时月球背面完全黑暗下来;
(4)2019年1月6日左右,月球背面重新转变为白天;
于是,根据嫦娥四号的登陆位置(艾特肯盆地的冯卡门撞击坑),科学家们会选择在适当时候进行登月;艾伯菌预计在2019年1月3日~1月9日之间。
另外,嫦娥四号到达月球附近后,还需要绕月飞行20天左右,在这段时间里,嫦娥四号也有充分的时间进行变轨调整,使得自身处于最佳的降落轨道。
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