嫦娥五号是如何通过两次减速进入环月圆轨道的呢?

本来计划在成功取样之前不会再写关于嫦娥五号的文章了,但是看到嫦娥五号被月球引力俘获这事忽然又觉得可以写写……因为在我的预计里,取样过程基本没有什么难点,所以没什么好写的,难点都在返回时,不过忽然发现其实关于引力俘获还是可以做做文章(^_^)。

2020年11月28日20:58,也就是我开始写这篇文章24小时前,嫦娥五号在月球轨道发动机点火启动反向推进减速,经过大约17分钟的减速后,嫦娥五号飞行速度降低到月球逃逸速度(约2.4km/s)以下,发动机关闭,嫦娥五号顺利被月球引力俘获进入绕月的椭圆轨道,轨道周期约为8个小时。

计划绕椭圆轨道公转3圈后在近心点(相当于近地点)再次启动发动机减速到环绕速度(约1.7km/s)后进入绕月圆轨道。轨道器将保持圆轨道环月飞行,着陆器则会选择合适时机分离并进行月面软着陆和原地取样。收到消息,在2020年11月29日20:23,嫦娥五号实行二次减速,并顺利进入环月圆轨道!

那么问题来了,嫦娥五号为什么需要减速才能被月球俘获?又是怎么实现从椭圆轨道切换到圆轨道?

从地球发射的嫦娥五号在与长征五号运载火箭分离时,其飞行速度接近地球的逃逸速度,即11.2km/s,然后在飞离地球奔向月球的过程中会被地球的引力逐渐减速,这有点像我们平常向天上抛石头,石头会因地球引力慢慢减速并停止上行后加速落回地面。虽然嫦娥五号的飞行速度已经超过了地球的逃逸速度,不会再落回地面,但是它依然会不可避免地被地球的引力减速,因此在飞离地球奔向月球的过程中速度慢慢降低,到达月球轨道的时候,速度大约只剩3.km/s多点。

然而月球的表面逃逸速度仅为2.4km/s左右,很明显,虽然已经被大大减速,嫦娥五号飞行速度依然远高于月球的逃逸速度,若不减速,它将从月球旁边飞掠而过,挥一挥衣袖…不带走一片云彩……这当然不行啊……所以嫦娥五号在到达月球附近时需要降低速度,方法很简单,轨道器上面是有发动机的,可以通过喷射为轨道器提供动力,这时只需要把轨道器的方向调转180°,让尾部转向前进方向然后点火,发动机将给嫦娥五号提供一个反向的推动力使嫦娥五号慢慢减速,大约经过17分钟的减速,嫦娥五号就被减速到小于月球的逃逸速度即2.4km/s以下,这时发动机就可以熄火,嫦娥五号会继续飞出一段距离后被月球的引力拉回,形成一个椭圆的轨道。

由于速度还极高,嫦娥五号此时只能沿偏心率较大的椭圆轨道飞行,但这样是非常不利于分离着陆器和取样之后与上升器对接的,因此需要把椭圆轨道调整为正圆轨道,方法依然是减速!这又是为什么呢?

因为第一次减速,是仅减至月球的逃逸速度以下,月球的逃逸速度是2.4km/s,也就是此时嫦娥五号的飞行速度依然在2km/s以上,而逃逸速度是环绕速度的√2倍(根号2倍),因此,月球环绕速度约为1.7km/s,而要绕正圆轨道运行就必须让嫦娥五号的切向速度(圆形轨道的切线方向)刚好等于环绕速度。这就是说嫦娥五号需要通过第二次减速把速度从2km/s以上降低到1.7km/s左右。方法同样是前面的发动机反向喷射减速。

减速段是在椭圆轨道的近心点附近,在近心点附近嫦娥五号的飞行速度将达到最大值,也就是2km/s左右,当在这个位置保持切向把其飞行速度降低到1.7km/s左右,嫦娥五号就自动切换到正圆轨道。

目前嫦娥五号已经顺利进入圆轨道,坐等分离着陆器进行软着陆,预祝嫦娥五号取样顺利,并顺利返回!