一颗立方体卫星正在飞向月球，以确定“月球门户”轨道的稳定性

在这个十年结束之前，NASA将自阿波罗时代以来首次将宇航员送上月球。作为阿耳特弥斯（Artemis）计划的一部分，美国宇航局还计划建立基础设施，以实现“持续的月球探索计划”。其中一个关键部分就是“月球门户”（Lunar Gateway），这是一个轨道空间站，将为定期往返月球表面提供便利。除了作为往返地球的飞船的停靠点，空间站还将允许执行前往火星的长期任务。

“月球门户”（Lunar Gateway）将拥有轨道力学中所谓的“近直线 halo 轨道”（NRHO），这意味着它将从一极到另一极围绕着月球运行。为了测试该轨道的长期稳定性，NASA 将在 5月底之前将“Cislunar 自主定位系统技术操作和导航实验 (CAPSTONE)” 发送到月球。这个为期9个月的“立方体卫星（CubeSat）”任务将是第一个测试该轨道，并展示其对“月球门户”有好处的航天器。

“CAPSTONE” 是位于科罗拉多州威斯敏斯特的先进空间公司拥有和运营的一颗12单元立方体卫星，它是一项技术演示，将测试光晕（halo）轨道和几个关键系统的稳定性。该任务计划于5月31日（最早）发射，届时火箭实验室光子宇宙飞船将发射“CAPSTONE”号，开始为期四个月的月球之旅。经过一系列的“清理”操作，将航天器插入其轨道后，“CAPSTONE”将在月球上运行至少6个月，仅偶尔启动推进器以维持其轨道。

上图：月球轨道上的 CAPSTONE 任务的动画。

这个轨道将把“CAPSTONE”带到从月球的一个极点到另一个极点的路径上，沿着一个恒定的椭圆形轨道围绕月球运行。它将花费近一周的时间来完成，届时立方体卫星将在月球南极附近运行得最慢，而南极将是它离月球表面最远的地方（76000公里）。当它到达北极上空时，立方体卫星将达到其最高速度，并在 3400 公里处最接近月球表面。

NASA艾姆斯研究中心小型航天器技术项目副经理埃尔伍德·阿加西德（Elwood Agasid）在NASA的新闻发布会上解释道：

“CAPSTONE 将得到精确控制和维护，并将极大地受益于其近乎直线光晕轨道的近乎稳定的物理特性。 燃烧的时间是为了给航天器额外的动力，因为它自然会产生动力 —— 这比更圆形的轨道需要的燃料要少得多。”
“这个轨道还有一个额外的好处，它允许月球门户与未来在月球表面，以及返回地球的Artemis任务进行最佳通信。 这可以为未来的月球科学和探索工作开启新的机遇。”

这些测试将验证维持 NASA 模型预测的轨道所需的动力和推进力，减少后勤方面的不确定性。在其多个轨道上，CAPSTONE 将证明一个创新的“航天器对航天器”导航系统的可靠性。该系统将在不依赖地面站的情况下，测量 CAPSTONE 立方卫星相对于美国宇航局的月球勘测轨道飞行器（LRO）的位置。LRO 自2009年以来一直在月球轨道上运行。

上图：在这幅插图中，美国宇航局的猎户座宇宙飞船在月球轨道上接近月球门户空间站。

为了测试这个系统，CAPSTONE 将携带第二个专用有效载荷飞行计算机和无线电，它将执行计算，以确定立方体卫星在其轨道路径中的位置。通过与 LRO 的交联，获得的数据将用于测量两颗卫星之间的距离以及距离变化的速度。这种点对点信息共享，将允许任务控制人员评估 CAPSTONE 的自主导航软件，并实时确定立方体卫星的位置。

通过对这个被称为“地月面自主定位系统”（CAPS）的软件的验证，美国宇航局未来的任务将能够在不依赖地球跟踪系统的情况下，确定航天器的位置。这还带来了一个额外的好处，即释放地面天线的带宽，允许任务控制人员在相对常规的跟踪过程中传输科学数据。

NASA的工程师们还预计，“近直线 halo 轨道”（NRHO）将允许他们能够在绕月轨道上驻留更大的航天器约 15 年。这包括月球门户本身和将与之对接加油，或进行下一段旅程的宇宙飞船 —— 即猎户座宇宙飞船和深空运输（DST）。这对美国宇航局的“从月球到火星”任务架构至关重要，该任务将包括在本世纪30年代早期向这颗红色星球发送载人任务。

其他商业合作伙伴包括，位于加州的 Tyvak 纳米卫星系统公司（人类轨道公司的子公司），该公司建造了CubeSat平台，以及提供 CAPSTONE 推进系统的恒星探索公司。CAPSTONE项目由NASA的小型航天器技术（SST）计划管理，由NASA的先进探索系统（AES）资助，并通过NASA的小型企业创新研究（SBIR）计划进行开发。

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