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“嫦娥一号”是如何与月球亲密接触的
作者：国防科工委月球探测工程中心
有四种发射方式在过去的国际月球探测活动中都使用过，每种方式各有特点。经过精确分析和计算，综合考虑各方面因素后，我国月球探测工程最终选择了第二种发射方式，即由运载火箭将嫦娥一号首先送入环绕地球的大椭圆轨道，然后由嫦娥一号在该轨道的近地点处不断加速，进入地月转移轨道，到达月球后减速成为月球卫星。
发射嫦娥一号的长三甲火箭能为嫦娥一号提供10.3千米／秒的速度，进入一条距离地球最近时离地面高度仅200千米、最远时这到51000千米的椭圆轨道，但这还不够，为了进入能到达月球的轨道，速度必须达到至少10.9千米／秒，这就要求卫星还要能给自己再增加600米／秒左右的速度。
由于在一次加速过程中实现这么大的加速量，实施起来比较困难。同时我国是第一次进行如此长距离的奔月飞行，所以如果在发射和加速过程出现偏差，很可能造成嫦娥一号错过和月球的“约会”，甚至无法沿着椭圆轨道飞回地球，而飞进茫茫的太空，永远消失在我们的视野里。
为此，经过精心分析和计算，同时考虑到降低其他风险带来的不利影响，最后得出了一个经过4次加速的轨道调整过程，整个调整过程历时5－7天。在这5－7天里，可以有充分的时间对卫星的飞行状况进行监控，保证卫星进入一条正确的轨道。
经过5－7天的调整，嫦娥一号从最初约10.9千米／秒的速度飞离地球开始，随着到月球的距离越来越近，速度也越来越慢。最终当嫦娥一号到达离月球最近200千米左右的地方时，相对月球运动的速度约为2.4千米／秒，而此时由于月球的引力作用还不够强大，不能将嫦娥一号“拴”在自己身边，如果不减速，嫦娥一号将一去不回头，离开月球和地球，飞进更加遥远的深空里。
嫦娥一号要被月球“俘获”，必须主动减小飞行速度。基于同样的原因，设想通过3次减速过程，使嫦娥一号相对月球的速度减小约850米／秒，最终实现在距离月球表面约200千米的高度上稳定运行。
为使嫦娥一号在一年的飞行过程中，能够飞过月球上的每个角落，对月球进行详细探索，其轨道将通过月球的南极和北极。这样一来，尽管嫦娥一号运行轨道的方位基本固定不变，由于月球自身的自转运动，每27个地球日左右自转一圈，因此，每27天左右，嫦娥一号上的科学仪器就能对月球进行一次全面探测。
在设计上述轨道的过程中，还要考虑飞行过程中嫦娥一号的光照情况，以及相对于地面位置固定的跟踪和通信设备的可见性等很多问题。
奔月之路崎岖艰险
1 调相轨道
嫦娥一号与动载火箭分离后，要经历调相轨道飞行阶段。在这一过程中将利用自身的推进系统进行一系列的变轨，其目标是将轨道上的能量进一步增大，使其变为远地点高度约38万千米的地月转移轨道。
嫦娥一号入轨后24小时首先进行一次远地点变轨，将大椭圆轨道的近地点从200千米提高到约600千米，周期仍为约16小时。然后在此轨道近地点进行三次近地点机动，逐步增加近地点的速度使远地点高度逐步增加。
首先，嫦娥一号在近地点约600千米的大椭圆轨道上运行一圈半后，在600千米近地点处执行第一次近地点变轨，将轨道周期变为24小时；接着运行1至3天后在600千米近地点处执行第二次近地点变轨，将轨道周期变为48小时；运行两天后在600千米近地点进行第三次近地点变轨，使嫦娥一号进入地月转移轨道。
嫦娥一号奔月主要风险是环月前多次变轨是否能准时、精确地完成。其中最为关键的是第三次近地点变轨(从而进入地月转移轨道)和第一次近月点变轨(从而实现月球捕获)。这两次变轨均具有短暂性和唯一性的特点，如控制不好，就会出现撞月或飞离月球的可能。
2 地月转移轨道
经过调相轨道的4次变轨后，卫星进入飞向月球的地月转移轨道。嫦娥一号月球探测卫星采用的是最小能量的转移轨道。在飞行过程中，考虑采取两次轨道修正：第一次修正在进入转移轨道后24小时内，第二次修正在距离到达近月点24小时内。在实际发射过程中还可根据实际情况增加修正次数。
在整个嫦娥一号飞行轨道的设计过程中，地月转移轨道的设计最为特别。在以往的卫星轨道设计中，只需考虑地球对航天器的引力作用，可以使用简单明了的关系式得到航天器的运动方程，这就是所谓的经典力学中的二体问题。即使考虑其他天体的引力作用、高层大气的阻力作用，由于这些作用的影响很小，根据多年的工程经验，可以通过一些简化和平均的方法，附加一些微小的调整量就可以解决大部分的轨道设计问题。
但是设计地月转移轨道则与此不同，必须同时考虑地球和月球的引力作用影响，即所谓限制性三体问题，而理论研究表明限制性三体问题是没有解析解的。当航天器在近地轨道时，主要受地球引力的作用，月球引力的作用非常微弱；随着地月转移飞行过程的进行，航天器离地球越来越远，地球的引力不断减弱，而月球的引力不断增强，飞行轨迹也逐渐偏离最初的椭圆形轨道；当航天器进入半径为60000千米以内的月球引力影响范围时，起主导作用的变成月球的引力，而不是地球的引力。这时飞行轨迹完全变化，不再是围绕地球的椭圆，而变成围绕月球的双曲线轨道，而且轨道面也慢慢变化，不在同一个平面里。没有一种简单的方法可以轻易描述这个过程，从理论上讲空间中存在无数可能的轨道，而其中消耗能量最小的轨道只有一条，轨道设计正是要找出这样的一条轨道。
为了解决这一难题，在设计地月转移轨道时采用了圆锥拼接法，先假定将轨道分为地球运行段和月球运行段，然后分段逐次逼近，再经过不断地修正，最终找到一条唯一的地月转移轨道。为了保证得到的轨道的正确性，还用计算精度较高的数值积分方法对所得到的地月转移轨道的结果进行了复核，并请国内多位从事航天器轨道动力学和天体动力学研究的专业人士对设计结果进行了验证。
此外，嫦娥一号进人地月转移轨道人口的时机以及运动状态，特别是位置和速度，包括速度的大小和方向也非常关键。如果时机不对，就无法和月球相会：速度过大，将无法进入月球引力作用的范围；速度过小，将无法到达月球。总之，在经过调相轨道运动之后，嫦娥一号必须到达一个事先经过仔细设计的位置，并具备所要求的速度大小和方向，才能沿着地月转移轨道到达月球。
3 月球捕获轨道
按照设计，嫦娥一号到达近月点时相对于月球的月心轨道是双曲线轨道，为了使其变为所设计的预定轨道，就必须做减速制动，即进入月球捕获阶段。设计中采用了近月点3次减速制动，依次将轨道周期变为12
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