嫦娥五號軌道器開展“副業”，地點為何選在日地拉格朗日L1點？_風聞

來源：微信公眾號“中國的航天”

嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、着陸器和上升器等組合而來。其中軌道器主要負責嫦娥五號往返月球期間的動力、能源、導航制導與控制，是地月轉移、軌道修正、近月制動、環繞月球、組合體分離、交會對接、月地轉移、返回器再入等重要環節的核心，是整個嫦娥五號月球採樣返回任務能夠成功的最大功臣。

嫦娥五號主要組成部分

軌道器的所有預設功能都圍繞嫦娥五號任務，理論上講，當在地球附近與返回器成功分離後它所有的功能使命已宣告結束，答完了所有的“必答題”。然而，飛控專家們認為軌道器依然“學有餘力”，臨時給它出了一個高難度的“附加題”。目前的第一個“附加題”就是飛往日地拉格朗日L1點。

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為什麼軌道器還能繼續做“附加題”？

嫦娥五號總重8.2噸，推進劑是最主要的重量組成部分。四個飛行器都帶有用於軌道姿態控制的發動機和推進劑，其中軌道器任務最多最複雜、攜帶的發動機最多、推進劑最重。

因而，軌道器在完成使命後依然能解答“附加題”最核心的原因在於：依然有大量推進劑剩餘，且所有分系統和元器件工作狀態良好，依然“元氣滿滿”。

嫦娥五號發射瞬間

本次長征五號火箭遙五任務發射，成功抓住了最完美的一條奔月軌道，且各級火箭的工作狀態、末級滑行、多次啓動精度都與理論設計分毫不差。入軌精度高，意味着嫦娥五號四器組合體在發射初期並不需要進行復雜的軌道修正，能節約大量寶貴的推進劑。

飛往月球過程中，嫦娥五號軌道器僅進行了兩次軌道小修。2020年11月24日，在距離地球約16萬千米的位置，3000牛頓發動機工作約2秒鐘。11月25日，在距離地球約27萬千米的位置，兩台150牛頓發動機工作約6秒鐘。由於入軌和兩次微調精度都很高，原計劃的第三次軌道修正被取消。

軌道器和返回器組合體與上升器分離後，啓程返回地球

從月球返回地球途中，軌道器兩次工作的入射精度也極高，進一步導致後續的軌道修正量很小。

根據中國運載火箭技術研究院公佈的數據，長征五號火箭為軌道器節省了大量推進劑，用於軌道修正的推進劑實際僅消耗了原計劃的0.3%，最終還剩餘200多千克推進劑。

因此，軌道器在2020年12月17日完成全部任務後，變成了自身質量輕、帶有多種規格發動機的新“火箭”。由於它是從月球返回，逼近地球時速度會達到第二宇宙速度左右，這足以讓它輕易擺脱地球引力影響。它自帶通信模塊、各種傳感器和光學成像設備等，也能執行深空探測器的部分功能。

綜上，嫦娥五號軌道器，有足夠能力繼續做“附加題”。

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為什麼選擇日地拉格朗日L1點?

宇宙中任何一個天體都是引力源。理論上，一個天體的引力影響範圍是無限的。然而在實際情況中，兩個天體總會互相影響，導致各自擁有一定的引力主導範圍。

太陽佔據了太陽系總質量的99%以上，是系內絕對的引力主導，它會壓縮地球等行星的引力主導範圍到一個定義為**“希爾球”**的空間內。例如，地球的希爾球半徑約為150萬千米，僅約為地球到太陽平均距離的1%。只有在其他天體進入希爾球后，地球才可能將它俘獲為自己的衞星。

在地球和太陽角力過程中，一定存在幾個重要的點，使得太陽和地球的引力影響達到近乎平衡，運動在這個點的天體或衞星能夠非常穩定地相對太陽和地球運動，相對靜止。假設為二維場景下，這樣的點有5個，它們又被叫作拉格朗日點。兩個與地球希爾球接近的點，就是L1和L2。

日地五個拉格朗日點示意圖

（圖片來源：Xander89©️CCBY 3.0）

L1和L2點距離地球約為150萬千米，且處在太陽-地球連線上。嫦娥五號軌道器前往的就是L1點。這個點在地球和太陽中間，隨着地球一起運動且與地球公轉週期完全一致，相對太陽和地球靜止。因此，可以實現非常穩定的對地球和對太陽長期觀測，是太陽望遠鏡、地球磁場和太陽風等科研類航天任務的理想位置。例如，著名的太陽和日球探測器（SOHO）、深空氣候天文台（DSCOVR）和先進成分探測器（ACE）等任務都運行在這裏。

需要説明的是，宇宙中不可能僅有兩個天體互相影響，也不存在純粹的二維環境，這些點並不真實存在、僅是理論值，與L1點通信也會受到太陽輻射的持續干擾。因而實際環境中，航天器並不會定在這裏，而是在附近保持週期性的利薩如或暈輪軌道運動****等，但總體上維持軌道的推進劑消耗量極少。嫦娥五號軌道器也會如此。

鵲橋號運行在月球背後的地月L2點

地球和月球也會存在一系列拉格朗日點。例如，鵲橋號一直在圍繞地球和月球的L2點工作，在這裏能實現地球和月球背後的穩定通信，為人類唯一成功着陸月球背後任務的嫦娥四號和玉兔二號服務至今，也成為它們不斷突破工作紀錄的核心保障。鵲橋號的推進劑消耗量很小，即便距離發射（2018年5月21日）已經過去了兩年多時間，依然狀態良好，預計能繼續長期工作下去。

因此，嫦娥五號軌道器將全面驗證中國航天器前往日地L1點的軌道設計和控制技術，探測期間檢測L1點附近光照、輻射和空間天氣情況，進行深空網的測控通信試驗等。在未來取得成功後，如果軌道器繼續“學有餘力”，航天人還將酌情為它進一步設計新的“附加題”，使其發揮出遠超預期的效果。

這已經不是嫦娥探月工程第一次做“附加題”，早在2010年發射的嫦娥二號，就在探月任務結束後，實現了人類探測器首次從月球前往日地拉格朗日L2點，又實現了人類首次近距離飛掠圖塔蒂斯小行星，最後繼續飛入深空，創造了當時的中國深空探測最遠紀錄。

可以説，嫦娥探月工程背後的中國航天人，一直是做“附加題”的“超級學霸”。