极限救援！中国科学院成功营救DRO月球探索双星

中国尝试将两颗探索卫星送到月球附近。然而，火箭发射失利导致双星无法进行后续飞行任务。中国科学院的科学家们通过复杂的轨道计算、精准的发动机点火操作以及天体动力学方面的极致智慧终于克服困难、实现了最终目标。

中国于去年3月13日使用长征二号丙火箭发射了DRO-A星和B星，目标是将这两颗卫星送入围绕月球的远距离逆行轨道（DRO）。然而，原本计划将卫星组合体送入地月转移轨道的火箭上面级“远征一号S”出现了故障，导致这两颗卫星飞行高度过低。

目前对于这两颗卫星的确切信息知之甚少。鉴于发射所用火箭的有效载荷能力有限，它们肯定体积较小，据推测是用于技术测试以及探索这种不寻常的远距逆行轨道（DRO）的用途（逆行轨道对于月球通信和观测可能会很有用）。关键在于，卫星体积小意味着它们携带的燃料很少，因此在没有辅助的情况下从近地轨道抵达月球轨道是一项极其艰巨的任务。然而，负责此次任务的中国科学院尽管面临着遥远的距离，还是展开了营救行动。

“必须匆忙重新制定飞行计划肯定就像一场噩梦，所以这是一项非常了不起的成就。”—— 乔纳森·麦克道尔，哈佛大学史密森尼天体物理中心

接下来是为期167天的持续努力，他们首先将卫星组合体送到了远超过地月距离的位置，然后成功地将卫星送入了预定轨道。此次操作包括五次轨道机动、五次进一步的轨道修正以微调卫星的运行轨道，以及三次借助地球和月球的引力助推。

第一步是在近地点（卫星在轨道上距离地球最近的点）进行小推力的发动机点火，这逐渐抬高了远地点（轨道上距离地球最远的点）的高度。一旦远地点足够高，一次更大的点火操作就让卫星踏上了前往月球的特殊转移轨道。

通常情况下，前往月球的卫星会沿着最简单的轨道飞行，即所谓的霍曼转移轨道。采用这种轨道时，卫星需要消耗大量的燃料来加速启动，然后在三到四天后抵达目的地时，再进行一次较大的点火操作来进入绕月轨道。而中国的这次任务则利用了地月系统周围的混沌动力学区域来节省燃料。1990年，日本的“飞天”探测器也曾采用类似的方法获救，但它被送入的是常规的月球轨道。要计算出进入远距逆行轨道（DRO，一种相对于月球反向运行的势能高地、长期稳定的轨道）的轨道参数，其难度可想而知。

“一个小小的误差就会让你远远偏离目标。”—— 乔纳森·麦克道尔，哈佛大学史密森尼天体物理中心

哈佛大学史密森尼天体物理中心的天文学家、太空活动追踪与分析专家乔纳森·麦克道尔表示：“到达月球的天体动力学要比单纯的近地轨道任务复杂得多。涉及所谓的‘弱捕获’和远距逆行轨道的情况就更加复杂了，而且还必须在出现发射意外之后匆忙重新制定计划，这肯定就像一场噩梦，所以这是一项非常了不起的成就。”

弱捕获是指一个天体在无需卫星进行大幅推进操作的情况下，通过引力捕获进入特定轨道。正如麦克道尔所解释的那样，这种技术对于节省燃料的飞行任务入轨至关重要，它需要精确的时机把握和精细的轨道调整。

“更直接理解这个‘酷炫’且巧妙的轨道设计策略的一句话是，你用时间来换取燃料。这样做会花费更长的时间，但使用的燃料更少。一旦你到达转移轨道的远地点（他们没有说明具体有多远，但我猜超过了100万公里），只需让火箭进行一小段时间的点火，你就能在很大程度上改变最终的目的地。但同样地，一个小小的误差就会让你远远偏离目标。”

社交媒体上出现了一些似乎是中国科学院的演示文稿幻灯片，展示了将卫星送入月球轨道所采用的迂回路线。不过，该研究院没有回应就此次任务发表评论的请求。

DRO-A星和B星在成功进入预定的远距逆行轨道后彼此分离。根据美国太空军的太空领域感知数据，这两颗卫星的轨道远地点相对于地球约为58万公里，近地点约为29万公里，而月球绕地球运行的平均距离为38.5万公里，这表明它们处于远高于月球的轨道上。

在那里，这些卫星正在测试这一独特轨道的特性，并测试相关技术，包括与另一颗卫星DRO-L进行通信。它比DRO-A星和B星早一个月发射，进入了近地轨道。尽管这并非中国月球探测计划的主要部分，但中国正计划建立月球导航和通信基础设施，以支持月球探测活动，而这些卫星的数据可能会为这些计划提供参考。

DRO-A星还搭载了一个科学载荷，即一台全天伽马射线暴探测器，尤其是那些与引力波事件相关的伽马射线暴，比如黑洞碰撞、中子星碰撞以及超新星爆发等事件产生的伽马射线暴。该仪器基于中国早期的“引力波暴高能电磁对应体全天监测器（GECAM）”近地轨道伽马射线探测任务，但在深空中该仪器将拥有不受阻挡的视野、且受到的干扰更少。

因此，这次营救行动推动了中国的月球探测计划和太空科学目标的实现，也展示了中国在天体动力学方面的实力。麦克道尔指出，与这次营救行动最相似的是亚洲卫星3号任务（后更名为“香港卫星通信有限公司一号卫星”，HGS-1）。1997年，这颗原本要进入地球静止轨道（GEO）的卫星被困在了椭圆转移轨道上。当时，通过抬高这颗卫星的远地点，使其两次飞掠月球，最终将其送入了地球静止轨道，并且卫星还剩余足够的燃料，能够继续运行四年。

麦克道尔表示：“这无疑表明，中国在处理复杂天体动力学问题的能力方面，目前已与美国不相上下。”

中国去年还成功完成了一项复杂的月球背面采样返回任务，是五个飞行器前赴后继达到的成就。明年，中国计划发射新的任务在月球南极着陆，以寻找包括水在内的挥发性物质。DRO-A星和B星任务的成功营救，进一步巩固了中国在深空导航和复杂轨道营救方面日益增长的专业能力。鉴于中国计划在21世纪30年代建立一个永久性月球基地，这些能力对于维持和支持长期的月球探测任务至关重要。

来源：https://spectrum.ieee.org/china-saves-dro-moon-mission（该文章为Andrew Jones在2月18日发布到IEEE spectrum的原文翻译，英文版已超400万阅读）