嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著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(zhuǎn)移、軌道修正、近月制動、環(huán)繞月球、組合體分離、交會對接、月地轉(zhuǎn)移、返回器再入等重要環(huán)節(jié)的核心，是整個嫦娥五號月球采樣返回任務(wù)能夠成功的最大功臣。

軌道器的所有預(yù)設(shè)功能都圍繞嫦娥五號任務(wù)，理論上講，當在地球附近與返回器成功分離后它所有的功能使命已宣告結(jié)束，答完了所有的“必答題”。然而，飛控專家們認為軌道器依然“學有余力”，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。

01為什么軌道器還能繼續(xù)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于軌道姿態(tài)控制的發(fā)動機和推進劑，其中軌道器任務(wù)最多最復雜、攜帶的發(fā)動機最多、推進劑最重。

因而，軌道器在完成使命后依然能解答“附加題”最核心的原因在于：依然有大量推進劑剩余，且所有分系統(tǒng)和元器件工作狀態(tài)良好，依然“元氣滿滿”。

本次長征五號火箭遙五任務(wù)發(fā)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(tài)、末級滑行、多次啟動精度都與理論設(shè)計分毫不差。入軌精度高，意味著嫦娥五號四器組合體在發(fā)射初期并不需要進行復雜的軌道修正，能節(jié)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(fā)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，兩臺150牛頓發(fā)動機工作約6秒鐘。由于入軌和兩次微調(diào)精度都很高，原計劃的第三次軌道修正被取消。

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

根據(jù)中國運載火箭技術(shù)研究院公布的數(shù)據(jù)，長征五號火箭為軌道器節(jié)省了大量推進劑，用于軌道修正的推進劑實際僅消耗了原計劃的0.3%，最終還剩余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(wù)后，變成了自身質(zhì)量輕、帶有多種規(guī)格發(fā)動機的新“火箭”。由于它是從月球返回，逼近地球時速度會達到第二宇宙速度左右，這足以讓它輕易擺脫地球引力影響。它自帶通信模塊、各種傳感器和光學成像設(shè)備等，也能執(zhí)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(xù)做“附加題”。

02為什么選擇日地拉格朗日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范圍是無限的。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范圍。

太陽占據(jù)了太陽系總質(zhì)量的99%以上，是系內(nèi)絕對的引力主導，它會壓縮地球等行星的引力主導范圍到一個定義為“希爾球”的空間內(nèi)。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衛(wèi)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衛(wèi)星能夠非常穩(wěn)定地相對太陽和地球運動，相對靜止。假設(shè)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。

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，隨著地球一起運動且與地球公轉(zhuǎn)周期完全一致，相對太陽和地球靜止。因此，可以實現(xiàn)非常穩(wěn)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(wù)的理想位置。例如，著名的太陽和日球探測器（SOHO）、深空氣候天文臺（DSCOVR）和先進成分探測器（ACE）等任務(wù)都運行在這里。

需要說明的是，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(huán)境，這些點并不真實存在、僅是理論值，與L1點通信也會受到太陽輻射的持續(xù)干擾。因而實際環(huán)境中，航天器并不會定在這里，而是在附近保持（擬）周期性的Lissajous或Halo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。

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，在這里能實現(xiàn)地球和月球背后的穩(wěn)定通信，為人類唯一成功著陸月球背面任務(wù)的嫦娥四號和玉兔二號服務(wù)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(fā)射（2018年5月21日）已經(jīng)過去了兩年多時間，依然狀態(tài)良好，預(yù)計能繼續(xù)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(shè)計和控制技術(shù)，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(wǎng)的測控通信試驗等。在未來取得成功后，如果軌道器繼續(xù)“學有余力”，航天人還將酌情為它進一步設(shè)計新的“附加題”，使其發(fā)揮出遠超預(yù)期的效果。

這已經(jīng)不是嫦娥探月工程第一次做“附加題”，早在2010年發(fā)射的嫦娥二號，就在探月任務(wù)結(jié)束后，實現(xiàn)了人類探測器首次從月球前往日地拉格朗日L2點，又實現(xiàn)了人類首次近距離飛掠圖塔蒂斯小行星，最后繼續(xù)飛入深空，創(chuàng)造了當時的中國深空探測最遠紀錄。

可以說，嫦娥探月工程背后的中國航天人，一直是做“附加題”的“超級學霸”。

作 者丨毛新愿

編 輯丨王舒穎、常芯悅