关于韩国“赏月号”月球探测器 很有意思的几件事情

前天,8月初发射的韩国首个月球探测器——赏月号(也有叫达努里号的)在沉寂了一个月后又有了新消息,回传了两张分辨率并不高的黑白照片,分别拍摄的是124万公里外的地球和月球,以这种形式告诉人们自己的存在。由于4年来我一直在关注其航天计划,还是想通过讲故事的方式说几件这个赏月号探测器背后的故事,其他科普博主或者自媒体人都没讲过的事儿。

Danuri Lunar orbiter korea赏月号奔月轨迹图 credit:KARI

一、“赏月号”从来都没有过使用韩国自研的“世界号”火箭进行发射的计划。

有人说赏月号探测器是因为重量从550公斤增加到678公斤,超过了世界号的最大发射质量才更换为美国SpaceX的猎鹰9号火箭。这是不对的,赏月号最早计划2018年底发射,那时世界号火箭连影子都没有,一直到2022年6月世界号火箭才首次发射成功。而韩航天机构早在2017年便与SpaceX签署了发射协议,当时他们是在SpaceX和印度火箭中二选一而已。未来他们肯定是希望登月飞船用“世界号”火箭发射,但那是2030年以后的事情了。

二、让“赏月号”飞行4个半月,长达600万公里的“弹道转移轨道”到底是谁要求的。

一个冷知识是:“赏月号”探测器的核心目的之一是“提高韩国的品牌价值和自豪感”。就是冲着这个目的,从地球飞个小半年才能到月球,显然也不符合“提升自豪感”的精神啊。按照韩航天机构的高级研究员裴钟熙女士的说法,他们通过多年的研究,最初确定的轨道是类似于印度月船二号的那种“近地点3次点火,不断提升远地点的方式”插入月球轨道,这种地月转移方式大约需要1个月的时间就能抵达月球,尽管比不上嫦娥飞船只需要5天的效率高,但也说得过去。裴钟熙说,由于赏月号探测器在2020年增加了128公斤的重量,导致推进剂不足以支撑这种普通的地月转移轨道,最终被迫选择了最耗时间的弹道转移轨道(BLT),因为该轨道尽管绕远,但可以节省大约25%的燃料。事情真是这样吗?

earlier Danuri orbit赏月号早期奔月设想路线 credit:KARI

早在2019年媒体就报道了“赏月号”探测器重量增加的消息,由于探测器从550公斤增加到678公斤,为了弥补增重后燃料不足的问题,韩航天机构修改了其最终的绕月轨道的高度,即从100×100公里的近圆轨道改为了300×100公里的椭圆轨道,而且这个方案最终得到了确认。看起来就算是普通的转移方式,重量增加后的“赏月号”探测器也是完全可以抵达月球的,完全可以实现“增强自豪感”的目标。但不知为何从去年的某个时刻起,该机构便改用“弹道转移轨道”(BLT)的方式让赏月号耗时4个半月前往月球,而且给出了上段提到的那个非常合理的理由,同时探测器最终的绕月轨道又改回了100×100公里。难道探测器上有某个载荷必须运行在低月球轨道上?

NASA shadowcam
NASA提供的ShadowCam阴影相机 credit:NASA

航天数据库德国Gunter在介绍“赏月号”的资料上有几句话非常醒目,大体意思是:“由于韩方把探测器轨道从100公里提高到了300公里,导致他们与NASA之间产生了分歧,因为探测器上所携带的阴影相机(ShadowCam)是NASA提供的,一旦轨道提高到300公里,相机将无法发挥其作用,而阴影相机就是帮助NASA对月球南极永久阴影区进行成像,为阿尔忒弥斯登月计划的宇航员选择潜在着陆点用的。”看到这里也许就会明白,为何传统的奔月轨道需要研究多年才确定,但短短一年内又能搞定一个新的弹道转移轨道了吧。没有媒体报道NASA和韩航天机构是如何化解的分歧,但最终我们看到的结果是“赏月号”最终的绕月轨道高度恢复回100×100公里,但奔月时间从1个月变成了4个半月。

难道上面的猜测就是“赏月号”改用弹道转移轨道节省出这25%燃料的目的之一吗?如果认可这一假设,那万一“赏月号”在进入绕月轨之道前出现任何问题,这口锅该由谁来背呢?又会是谁打碎了牙往肚子里咽呢?真不希望罗老号那样的事情再上演一次。当然,这只是单纯的个人猜测,是在讲故事。还是希望“赏月号”一切顺利,早日进入月球轨道,毕竟NASA也是有这种轨道成功运行经验的。

三、“赏月号”用时间换空间的4个半月弹道转移旅程 真能减少燃料消耗吗?

是真的,但不是那种所谓的“引力弹弓”加速效应。通俗点说,让探测器到达月球并不难,难的是到了月球后能踩一脚刹车停下。以赏月号探测器为例,猎鹰9号火箭强大的推力完全可以将其直接送入直线奔月轨道,顶多3天就能到达月球,但“赏月号”上那4台只有30牛的小发动机不足以提供足够的ΔV进行减速,最终会让探测器错过月球。

而BLT弹道转移轨道,可以借助猎鹰9号火箭强大的推力直接向日心轨道发射,接近拉格朗日点后折返靠地球引力加速,返回拦截月球。通过计算可以达到的效果是,接近月球时只需要比较小的ΔV就可以成功被月球引力吸引,也就是说不要狠踩刹车就可以泊入月球轨道。这一过程比直接霍曼转移可以节省约25%的ΔV,也就是可以省下1/4的燃料进行轨道控制,确保“赏月号”顺利降低到100×100公里的近月轨道并稳定运行8个月以上,方便NASA的阴影相机和其他科学载荷发挥作用。

KPLO韩国赏月号月球探测器渲染图 credit:KARI

以上就是今天想讲的关于赏月号月球探测器几件有意思的事情,最后再说两个小Tips:

  • 1,赏月号上一共6种科学载荷,总重约50公斤,除了NASA的阴影相机外,其他载荷均为韩航天机构自己的。而阴影相机(ShadowCam)又是所有载荷中最重要的,据说分辨率是现在NASA在轨飞行月球轨道勘测器(LRO)的800倍,可提供空间尺度1.7 m/pix的挥发物信息,大概率能看清楚哪里有水了。
  • 2,目前地球到月球的转移方式一般有3种,最快的就是美中那种靠“蛮力”直接硬飞过去的方式,只需要3-5天;第二种是印度月船二号号那种近地轨道不断加速以提高远地点进行奔月的方式,大约需要10-30天不等;第三种就是这种最省燃料但最耗时的弹道转移方式,一般需要4个半月的时间。其中前两种方式都算是霍曼转移,而弹道转移则是更低能量转移的一种,欧空局也曾经搞过另外一种低能量转移的试验,从发射探测器到成功抵达月球用了一年多的时间,那次更像是为了演示电推进,很少有人提及。

 

相关文章

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。