美東時(shí)間2022年5月31日，搭載地月自主定位系統(tǒng)技術(shù)操作和導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)（Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment ，CAPSTONE）立方星的“電子號(hào)”運(yùn)載火箭，將在新西蘭瑪西亞半島火箭實(shí)驗(yàn)室1號(hào)發(fā)射工位發(fā)射升空，前往繞月近直線暈輪軌道（Near Rectilinear Halo Orbit，NRHO）。作為一次深空探測任務(wù)，CAPSTONE雖然小但是不簡單。

為“阿爾忒彌斯”計(jì)劃開路的“微波爐”

CAPSTONE是美國航空航天局（NASA）“阿爾忒彌斯”計(jì)劃下的一個(gè)探測任務(wù)，任務(wù)立方星由先進(jìn)空間（Advanced Space）公司抓總研制并負(fù)責(zé)持有和運(yùn)營，位于加利福尼亞州歐文市的泰瓦克納米衛(wèi)星系統(tǒng)公司（Tyvak Nano Satellite Systems）負(fù)責(zé)立方星平臺(tái)研制，推進(jìn)系統(tǒng)則由位于加州圣路易斯奧比斯波的恒星勘探公司（Stellar Exploration）研制，衛(wèi)星質(zhì)量55磅（約25千克），體積大約只有一個(gè)微波爐大小。

CAPSTONE任務(wù)的主要目標(biāo)是測試和驗(yàn)證計(jì)算出的繞月近直線暈輪軌道的軌道穩(wěn)定性，“阿爾忒彌斯”計(jì)劃下的“門戶”（Gateway）月球空間站計(jì)劃運(yùn)行在這一軌道上。同時(shí)，CAPSTONE還將測試由先進(jìn)空間公司開發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通過與NASA的月球勘測軌道飛行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）的交互來測量其在地月空間中的絕對(duì)位置，而無需依賴地面站進(jìn)行導(dǎo)航支持。

微小型火箭承擔(dān)深空發(fā)射重任

不同于以往世界航天的月球探測任務(wù)動(dòng)輒使用大型乃至重型火箭，此次任務(wù)使用的是微小型火箭“電子號(hào)”。該火箭全長18米，起飛質(zhì)量13噸，起飛推力190千牛 (19.4噸)，起飛峰值推力達(dá)到224 千牛(約22.9噸)，推重比約1.5，其近地軌道運(yùn)力300千克，運(yùn)載系數(shù)約2.3%。

為了能夠勝任深空發(fā)射任務(wù)，此發(fā)“電子號(hào)”火箭將配備“光子號(hào)”（Photon）上面級(jí)。在“電子號(hào)”到達(dá)低地軌道時(shí)，“光子號(hào)”上面級(jí)將主導(dǎo)運(yùn)輸，將CAPSTONE航天器送入其高效的地月轉(zhuǎn)移軌道（彈道式月球轉(zhuǎn)移軌道ballistic lunar transfer, BLT）。在這一階段，“光子號(hào)”上面級(jí)將搭載CAPSTONE航天器在繞地球橢圓相位軌道運(yùn)行6天時(shí)間，以達(dá)到進(jìn)行跨月注入（TLI）的速度，將CAPSTONE航天器部署到進(jìn)入月球附近的深空低能轉(zhuǎn)移軌道，并最終運(yùn)行在繞月近直線暈輪軌道（NRHO）上。

獨(dú)特的近直線暈輪軌道

近直線暈輪軌道（NRHO）在地球和月球重力的精確平衡點(diǎn)上，只需要最少的能源來進(jìn)行軌道維持，為像“門戶”這樣的長期任務(wù)提供了穩(wěn)定性。CAPSTONE的軌道還建立了一個(gè)位置，這是前往月球及其以外深空的理想中轉(zhuǎn)區(qū)。該軌道近月點(diǎn)是1000 英里（約1609千米），遠(yuǎn)月點(diǎn)達(dá)到43500 英里（約70005千米），運(yùn)行周期7天。與其它圓形軌道相比，NRHO對(duì)往返于月球表面的航天器的推力要求更低。

自發(fā)射開始到抵達(dá)目標(biāo)軌道，CAPSTONE航天器需要經(jīng)過4個(gè)月的旅程，之后在NRHO區(qū)域至少運(yùn)行6個(gè)月，以了解軌道的特性。具體來說，它將驗(yàn)證維持 NASA 模型預(yù)測的軌道所需的動(dòng)力和推進(jìn)力，以減少組織管理上的不確定性。它還將展示創(chuàng)新的航天器到航天器導(dǎo)航解決方案的可靠性以及與地球的通信能力。NRHO 除了可以覆蓋月球南極之外，其還擁有與地球之間沒有遮擋的優(yōu)勢。

作為“阿爾忒彌斯”計(jì)劃的一部分，CAPSTONE任務(wù)航天器的質(zhì)量只有 25 千克，承擔(dān)了驗(yàn)證近直線暈輪軌道（NRHO）設(shè)計(jì)和月軌導(dǎo)航系統(tǒng)的重任，雖不是主要的重磅發(fā)射，但是在整個(gè)計(jì)劃當(dāng)中起到了先導(dǎo)作用。同時(shí)，作為一枚微小型火箭，“電子號(hào)”將執(zhí)行首次月球乃至首次深空探測發(fā)射任務(wù)，拓展了世界微小型火箭的應(yīng)用空間，具有示范意義。最后，向月軌發(fā)射一顆只有25千克的立方星，說明世界航天器的小型化已經(jīng)有了長足進(jìn)步，微小型航天器也能勝任部分深空探測任務(wù)，這有利于大幅提升人類深空探測的頻率和規(guī)模。

CAPSTONE任務(wù)只是世界航天甚至“阿爾忒彌斯”計(jì)劃的一小步，其小火箭送小衛(wèi)星執(zhí)行深空探測的模式卻是一種重要開端！

作者：大白高國

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