嫦娥1号卫星的轨道设计难题及解决办法

　　嫦娥1号卫星的轨道设计难题及解决办法

　　目前，我国发射的卫星都是围绕地球运行的人造地球卫星，它们飞离地球最远的距离不到8万公里，这些卫星所受的作用力主要是地球引力。月球与地球的平均距离为38万公里，月球探测卫星在从地球飞往月球的过程中，所受到的引力场将从地球引力场转变为月球引力场，或者说它的飞行是从一个引力场转移到另一个引力场的飞行，对于飞行器的轨道设计来说，这将带来一些新的需要解决的问题。

　　人们在研究人造地球卫星的运行时，可以将人造卫星围绕地球的运行近似地看作为一个小质量的质点在另一个大质量的质点所形成的引力场中的运动，或者说可以将地球卫星的轨道问题近似地看作是二体问题。尽管月球引力对地球卫星运动的影响有时也需要考虑，但这种引力与地球引力相比非常小，它不会影响轨道的主要特性，可以把它作为摄动力来考虑。

　　然而，在研究月球探测卫星的轨道问题时，月球探测卫星的飞行是从一个引力场转移到另一个引力场的飞行，因此月球探测卫星从地球飞向月球的整个过程应该是三体问题，不幸的是，对于这种三体问题，尽管天文学家和数学家作了不懈的努力，但目前还没有研究出一个可用的分析解。为了解决月球探测卫星的轨道问题，轨道科学家提出了巧妙的方法。

　　我国科学家在进行嫦娥1号的轨道设计时，将嫦娥1号飞往月球的过程分为三个阶段：围绕地球运行阶段、从地球奔向月球的飞行阶段、围绕月球运行的阶段。在月球探测卫星飞离地球的很长的一段时间内，月球对探测卫星的引力比地球的引力小得多，月球探测卫星所受的引力主要是地球的引力，它的飞行轨道与不考虑月球引力的轨道相差并不多，可以用二体问题的解来近似给出轨道设计所关心的主要特性。当月球探测卫星飞到月球附近时，月球的引力变成主要的作用力，这时又可以把月球探测卫星近似地看作是在月球引力场中运动的物体，或者说将其看作为月球探测卫星在月球引力场中运动的二体问题。

　　这两个不同区域的分界面是以月球为中心、半径约为66400千米的圆球的球面，天文学上称这个球形区域为月球的“影响球”。在寻找飞往月球的路线图时，专家们常用这种概念和方法来寻求一条从地球飞向月球的近似轨道。其做法是先求出一条地球卫星的大椭圆轨道作为探测器未到达月球“影响球”时的轨道，当它沿这条轨道进入月球“影响球”时，“突然”把它的运动看成只受月球的引力而不受地球引力影响的情况，于是紧接着的后一段轨道是以月球为引力中心的双曲线轨道，把这两条轨道拼接起来就得到一条从地球飞向月球的近似轨道。