在近日的中关村论坛上,我国宣布了一个好消息。中国科学院成功利用三颗卫星,打造了一个“太空港口”。
回想起美国成功将航天器送入这条轨道展开测试时,我们才刚刚立项。如今我们这个太空港口已经稳定运行了快两年,美国和欧洲依然还在理论计算阶段。
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不过,我们的太空港口,建设也不顺利,一度差点失败。而我国航天人利用高超的技术,不仅救回了卫星,还完成了组网建设,一口气实现两大太空奇迹,让国外轨道专家也忍不住啧啧称奇。
所谓的太空港口,并不是一个固定的位置,而是一个特殊的巨大轨道,名叫“地月空间远距离逆行轨道”。这个词看起来确实复杂,但其实不难理解。放心,咱们用最简单的语言就能给你说明白。
航天器在太空中运行,不一定非要简单地在引力作用下绕着地球转圈,或者单独绕着月球转圈,还可以结合二者共同的引力效应,乃至加上太阳的引力效应,来选择轨道。
比如,地球和月球的引力会形成一些特殊的引力点。比如著名数学家欧拉和拉格朗日一共计算出了5个特殊的位置,如果航天器放在这里,可以在地月引力之间达成平衡,几乎永远稳定地和地月系保持固定位置,这样的点叫拉格朗日点。
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如此“骨骼清奇”的轨道,肯定“天生我材必有用”。所以,我们今天要介绍的地月空间远距离逆行轨道,其实也是因为具备极特殊性,而被世界各国重视。
所谓的“地月空间”,顾名思义,就是结合了地球和月球两大天体引力而形成的。
“远距离”,指的是其位置比较远,甚至在地月拉格朗日点之外。
“逆行”,则是指航天器相对于月球的运动方向,和月球绕地球公转的方向恰好相反。换句话说,如果我们从北天极俯视地月系,会看到月球是顺时针公转的,而航天器绕月的路径呈现逆时针运行。需要注意的是,它只是相对于月球的位置是逆时针变化,如果以地球为参考,那么其整体依然是顺时针运行的。
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(地月空间远距离逆行轨道示意图)
你可以参考上面这张图,白色是月球公转轨道,红色是地月空间远距离逆行轨道。如果单看红色轨迹,是顺时针绕地球公转的。但如果以月球的位置看,其实红色的航天器其实是在逆时针运行。
可以看到,这个轨道是一个偏心率较大的椭圆。具体来说,其远地点大约在45万公里外,近地点距离我们也有31万公里。和月球相比,近月点大约是7万公里,远月点则有10万公里。
那么,这个轨道,到底有什么魅力呢?我国科学家总结了三大特点,分别是低能进入、稳定停泊以及全域可达。
低能进入,指的是我们可以巧妙借助太阳、地球和月球的引力相互作用,像弹弓一样把航天器“发射”出去。这样一来,可以比传统入轨方式节省大部分燃料,带更多科学载荷上太空。
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稳定停泊,指的是可以有效防止太阳、地球、月球形成的混乱引力所干扰。看过《三体》的朋友就知道,引力的三体问题极其复杂,经常会发生引力混乱,带来灾难。
而这个轨道相当于在“三体世界”找到了绝妙平衡点,航天器几乎可以在不需要任何主动控制的情况下,就稳定运行几十乃至一百年。要知道,就连我们上面提到的拉格朗日点,也只是理论上的稳定,实际上航天器也需要每隔几十天就调整一次轨道。
全域可达,指的是航天器从这里出发,进军太空深处同样可以节省燃料,非常便捷。这是因为轨道处在势能高地,相当于站在了山尖,不论朝东南西北哪个方向走,都是“下坡路”,毫不费力。未来,我们利用这个太空港口,不论载人登月还是建立月球基地,甚至以此为跳板去探测小行星、火星,都非常轻松。
正因为这个轨道有众多优势,所以世界各国都考虑开发这里的轨道资源。2022年美国阿尔忒弥斯一号任务中,猎户座飞船就是进入了这个轨道,稳定绕月约6天才返回的。
但相比之下,中国的进程再次抢先一步。早在2017年,我们就对利用该轨道的技术展开研究和技术攻关。2022年,中国科学院正式规划相关项目。
仅仅两年之后的2024年2月,首颗试验卫星DRO-L成功进入太阳同步轨道,并正常开展相关实验。一个月后,我们又发射了DRO-A/B双星组合体,以求构成一个“内部通讯网”。届时,我们的航天器可以不用完全依靠地面指挥,只要利用这个网络就能“自己认路”。
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前不久美国阿尔忒弥斯二号任务,进入月球背面之后,和地面失联40分钟。如果有这样的网络,就不用担心了。可见,这两颗卫星确实很重要。
然而,也正是发射它们的时候,出现了意外。由于火箭上面级飞行异常,两颗卫星没有成功入轨。但在我国航天人的操作之下,它们穿越了近850万公里的航程,终于被救了回来。当年7月,在经历了4个月的太空营救之后,我国创造了人类航天史上的奇迹。
如今,三颗卫星已经成功组网并运行了快两年(DRO-B后转移至地月共振轨道),标志着我们的太空港口已经初步完成验证,为未来进一步开发深空打下了坚实的基础。
当美国盯着月球的时候,中国早就把视野放开,瞄准宇宙深处。当然,我们对这个太空港口的开发仍处于雏形阶段。根据天文学家的规划,未来这里将集深空中转补给、通信导航中继、太空组装维护、科学研究等功能于一体,真正承担起“港口”的作用。
总之,这里有无限的可能,有些应用场景甚至可能需要科幻作家们大开脑洞了。唯一能确定的是,我们已经抢先入场,掌握了技术。不论哪些概念提出,最先实现的,极有可能都是我们国家。#中国“太空港口”雏形初现#
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