NASA将打一颗小卫星首次进入地月系“近直线光环轨道” 为空间站和登月铺路

近年来,美国各界一直在为月球轨道站的轨道选择争论不休,但为了要满足方便进入和返回地球、方便登月、兼顾前往火星等三个设计理念,只有在月球的近直线光环轨道(NRHO)和远逆行轨道(DRO)两种轨道设计被NASA认可,但最后NRHO轨道被确认为月球空间站的标准轨道。最新消息称,NASA与科罗拉多州的先进空间公司签署了一份1370万美元的协议,后者将发射一颗12U的纳米卫星前往NRHO轨道进行探路。

美国NRHO轨道探路星

尽管轨道线路已经确定,但NRHO轨道只是通过数学算出来的地月稳定点的一个特殊解,历史上并没有任何人或者航天器进入这个轨道,目前阶段只是电脑模拟认为可行,也得到了专家的认可。

第三人称角度看NRHO轨道

实际上近直线光环轨道(NRHO),也被称作近直线晕轨道(从地球角度看,该轨道的运行轨迹像一圈圈的光晕)。它与利萨如轨道一样,都是借用了地球-月球间的平衡点“L2”,引申出来的虚拟轨道,因为航天器在这个轨道上并不围绕一个天体运转,而是围绕着一个用数学算出来的地月平衡点运行。

地月系转移及月球轨道选择

这样就给NASA的科学家们提出了一个挑战,数学计算出来的轨道是否真实可行?如果不经过实验就直接把空间站发到NRHO轨道上,会不会遇到无法预料的问题?举个简单的例子,早在50年前,光环轨道的设计者罗伯特·法夸尔就设想在地月系L2点上放一个中继卫星,用于和月球背面通信,但这个想法直到2018年中国的“鹊桥号”中继卫星上才得以实现。

实际上鹊桥号进入的是一个被称作利萨如轨道的“光环轨道”,它并不是静止在L2点,而是围绕L2点进行公转。中国人前后用了3次试验,先是通过嫦娥2号历史性进入了L2点,然后使用“嫦娥5T1”先导卫星首次验证了利萨如轨道,最后一次才将鹊桥号送入该轨道稳定运行。而美国人即将使用的NRHO轨道也是光环轨道的一个特殊解,区别就是航天器在接近月球时会大幅改变运行方向,其他情况下相对月球沿一条直线运行,因此才叫近直线光环轨道。

从光环轨道着陆月球

因此,美国人采用的NRHO轨道设计的复杂度要远高于我国鹊桥号中继卫星,我们验证了2次后才敢把真东西送上去,美国人当然也不会贸然发射空间站模块进入月球NRHO轨道。于是才会跟“先进空间”公司签订发射小卫星进入NRHO的探路任务。

美国NRHO轨道探路星

这颗探路卫星的代号为“地月系自主定位系统技术操作和导航实验”(CAPSTONE)。按照协议,先进空间公司将在2020年12月底之前将纳米卫星送入太空,并将在此后的三个月内进入NRHO轨道,然后在轨执行6个月的验证工作。主要将就近直线光环轨道的特性、航天器到航天器间的导航与通信和快速从地球轨道进入月球轨道等进行研究和学习。

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