NASA为何将月球空间站设计成近直线光环轨道?深度剖析其中奥秘

今天的科技新闻大规模报道了美国宇航局和欧洲空间局决定把正在建设的月球轨道站(LOP-G)放置在一个被称作“近直线光环轨道”(NRHO)的运行轨迹上,但大都泛泛而谈或者用词晦涩难懂。究竟这个NRHO轨道在哪里,NASA又为何要把月球空间站的轨道选在那里,我们今天就为您剖析一下其中的奥秘。

月球轨道空间站 LOP-G

什么是近直线光环轨道NRHO?

我们一般把NRHO轨道称之为“准直线晕轨道”,而不是“近直线光环轨道”,以该名词开篇是为了方便阅读过相关报道的读者。了解NRHO轨道前我们需要先了解一下什么是“晕轨道”,即Halo轨道。我们知道在探讨天体力学中两个天体之间作用力的关系时,有5个特殊解。这五个特殊解被称作这两个天体间的拉格朗日平衡点,物体处于这5个点时受到的各种作用力会达到平衡,几乎不需要维持便可相对于两个天体处于固定的位置。

5个拉格朗日点描述

我们要谈的晕轨道就与拉格朗日点的“L2”点有关系(其他4个拉格朗日点也都类似)。也许你对地球和月球之间的L2点并不陌生,因为我们中国为嫦娥四号提供中继服务的“鹊桥卫星”就处在L2点上。地月系的L2点处于地球到月球延长线以外数百万公里的位置,L2是一个计算出来的虚拟点,但却真实存在。L2点在5个拉格朗日点中属于不稳定的平衡点(涉及天体力学,不再详表),放在L2点上的物体因为受力的变化会主动离开这个点。

因此就需要想一个办法,能让卫星能够在L2点附近稳定住。于是科学家们就为卫星设计了一些轨道,让卫星可以围绕这个虚拟的L2点做轨道公转。这样只需要消耗少量燃料的代价,就可以让航天器长久的保持在L2点附近。这种围绕L2点运行的轨道,从地球上的角度看,航天器的运行轨迹就像“光晕”一样,因此被称作晕轨道。

NRHO轨道建模后的样子

晕轨道是围绕拉格朗日点运行轨道的统称,实际上可以根据任务需求设计不同的轨道高度。比较著名的“晕轨道”就是我们鹊桥中继星使用的“利萨如轨道”。而NRHO准直线晕轨道是另一个比较特殊的设置。该轨道最大的特点就是最近时距离月球只有2900公里,最远时7万公里,可谓进可攻退可守。同时在NRHO轨道运行的每一小段时间内,以地球为中心看上去总会沿着一条直线运行。

可以说,NRHO轨道就是专门为月球空间站设计的一条围绕L2点运行的、近可登月远可离开的椭圆形轨道。

NASA关于月球空间站轨道的构想

早在多年前提出月球网关计划时,NASA就一直在设想把空间站放在什么位置上。地球上的国际空间站实际上很简单,只需要打到一定的高度让它围绕地球转圈就可以,但月球上的空间站不能这样。NASA为月球站的轨道选择提出了几大要求:1,方便登月;2,方便宇航员与货物往返;3,方便进入深空;4,方便组建与测控。

要同时满足这么多条件,月球站就不能直接扔到月球附近让他简单的绕月转圈,因为直接从月球出发回地球或者去火星都不那么方便,地球上对月球空间站的测控管理也不能24小时不间断进行。因此为月球空间站找一个合适的位置就成了摆在NASA面前的一个课题。

NRHO和DRO轨道区别 竖着的是NRHO

2017年,NASA为月球空间站设计了2条可行的轨道,一条就是NRHO准直线晕轨道,另一条是DRO远逆行轨道,关于DRO轨道不再详述,它的特点就是一个稳定的正圆形轨道,距离月球约6.15万公里。最初DRO轨道是月球空间站的首选轨道,因为当时NASA只想把月球空间站作为一个前往火星的跳板,未照顾到去月球着陆。

川总上台后,修改了NASA的太空计划,要求他们5年内必须重返月球。这样一来DRO轨道的劣势就明显了,从空间站去月球还需要6万公里,这显然是不可接受的。于是NRHO这个椭圆形的距离月球最近只有不足3000公里的轨道就自然被选中了。同时该轨道的远月点有7万公里之高,前往火星也更加方便。可以说,月球空间站选择NRHO轨道是一举两得,月球和火星都能照顾到。

月球轨道空间站 LOP-G

如何才能到达NRHO轨道?

既然NRHO轨道的核心是一个虚拟的地月L2点,那么前往这个轨道就不会像印度“月船2号”那么的容易。根据NASA公开的部分轨道设计方案,不管是短期还是长期停留,飞船都必须在准确的位置执行4种主要的平移机动,才能抵达该轨道。如果要访问空间站,对飞船发射的日期也有特殊的要求。目前NASA每年至少会安排一到两次飞行任务。

未来多艘飞船会停靠月球轨道站LOP-G

看起来,不管是把空间站发射到NRHO轨道上,还是深空飞船前往月球空间站,都远比现在的国际空间站困难100倍以上。NASA把空间站从地球玩到月球,不仅是段位的提升还是质的飞越。难怪最近NASA已经准备把国际空间站商业化,他们自己要玩的月球站已经进入了另外一个层级。

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