嫦娥为什么要绕地球转几圈才奔月?

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/29 06:00:25
<br /><br />嫦娥要绕地球飞几圈才奔月,这已经成为网上质疑嫦娥的主要问题。网上的答案无一例外都是说只有绕几圈才能得到充分的加速,但我不能赞同这种解释
因为每次的加速点都是在近地点。如果加速过程长度可以忽略,那么加速完毕后,椭圆绕地球一圈回来后再到同样高的近地点时,由能量守恒,还是同样的速度。换句话说,抛开点燃火箭发动机加速的短暂过程,绕这一圈不可能换来加速的效果,是白绕的。完全可以做到一次火箭发动机开启足够长的时间,就达到最后总共的可以奔月的加速效果。绕地球飞几圈并不能做到节省燃料
所以我非常怀疑,要绕着几圈是有其他的目的,或者出于其他的考虑。
我猜了几点:一是更有利于精确的测控,因为远地点测得精确的话,近地点的相应物理量可以决定到更高的精度。二是中国可能还需要积累一定的外层空间的数据,这是指离开任何星球都有相当距离的外层空间。嫦娥绕地球多飞几圈离得远时可以更多积累些这方面的经验。可能最重要的是第三点,嫦娥带有太阳风粒子探测器,这在任何星球附近测量时都会受到星球自身磁场的影响,而不是真正太阳系内随便一点的太阳风。我怀疑是在绕地球飞大圈的远地点的时候,测得的更接近太阳系内任意一点,多飞几圈可以把这个数据测得更好
至于这样做在什么阶段在晨昏线附近,容易被监控之类的好处,我没有数据,不过应该也有这方面的考虑
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因为每次的加速点都是在近地点。如果加速过程长度可以忽略,那么加速完毕后,椭圆绕地球一圈回来后再到同样高的近地点时,由能量守恒,还是同样的速度。换句话说,抛开点燃火箭发动机加速的短暂过程,绕这一圈不可能换来加速的效果,是白绕的。完全可以做到一次火箭发动机开启足够长的时间,就达到最后总共的可以奔月的加速效果。绕地球飞几圈并不能做到节省燃料
所以我非常怀疑,要绕着几圈是有其他的目的,或者出于其他的考虑。
我猜了几点:一是更有利于精确的测控,因为远地点测得精确的话,近地点的相应物理量可以决定到更高的精度。二是中国可能还需要积累一定的外层空间的数据,这是指离开任何星球都有相当距离的外层空间。嫦娥绕地球多飞几圈离得远时可以更多积累些这方面的经验。可能最重要的是第三点,嫦娥带有太阳风粒子探测器,这在任何星球附近测量时都会受到星球自身磁场的影响,而不是真正太阳系内随便一点的太阳风。我怀疑是在绕地球飞大圈的远地点的时候,测得的更接近太阳系内任意一点,多飞几圈可以把这个数据测得更好
至于这样做在什么阶段在晨昏线附近,容易被监控之类的好处,我没有数据,不过应该也有这方面的考虑
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成本问题    用3甲火箭发射嫦娥1号进同步轨道刚够用  如果用3乙发射的话  绝对不会转那么多圈,连卫星寿命及燃料消耗都可以延长   只不过首次探月就是个探路  没必要搞的太花哨,花的太多
原帖由 huor 于 2007-11-10 23:08 发表
嫦娥要绕地球飞几圈才奔月,这已经成为网上质疑嫦娥的主要问题。网上的答案无一例外都是说只有绕几圈才能得到充分的加速,但我不能赞同这种解释
因为每次的加速点都是在近地点。如果加速过程长度可以忽略,那么加速 ...

兄弟,你需要把物理课本重新看一下(次话没有恶意)
每次在近地点加速后,嫦娥的椭圆轨道就变了,长轴更长,所以在返回近地点的速度是更快,怎么可能不变呢?你再好好想想
参考抛链球和掷铁饼
近地点一样,远地点可不一样,楼主去仔细看下嫦娥的轨道,在质量不变的情况下,轨道越高速度越慢
]]
原帖由 白云居士 于 2007-11-11 00:04 发表

兄弟,你需要把物理课本重新看一下(次话没有恶意)
每次在近地点加速后,嫦娥的椭圆轨道就变了,长轴更长,所以在返回近地点的速度是更快,怎么可能不变呢?你再好好想想

如果在绕地球的几圈内不计月球引力的影响,近地点加速完全是发动机工作的结果。
我是说绕回来之后更快的速度就等于发动机加速完之后的速度。因为加速的过程很短,可以看成轨迹上一点处完成的。
因为后面再绕一圈能量守恒,绕回来近地点高度不变,速度也不变。
其实大家都错了~嫦娥其实是为了节能环保,建设和谐的节约型社会而放的大型广告看板卫星,将节能环保与大众行销完美结合……据可靠消息,嫦娥将在月球展开巨型广告看板:D
代理嫦娥广告看板业务~电话110119,24小时在线;P
原帖由 白云居士 于 2007-11-11 00:04 发表

兄弟,你需要把物理课本重新看一下(次话没有恶意)
每次在近地点加速后,嫦娥的椭圆轨道就变了,长轴更长,所以在返回近地点的速度是更快,怎么可能不变呢?你再好好想想


我理解他的意思可能是:在近地点附近某点考察,本次发动机关机后的速度与经过一周期回到该点,且在下次发动机开机前的速度不变

楼主的意思可能是把几次加速合到一次比较长的加速时间段,根据能量守恒也能到达月球的高度,所以他认为分开几次加速是另有打算。
原帖由 happywar 于 2007-11-11 00:47 发表


我理解他的意思可能是:在近地点附近某点考察,本次发动机关机后的速度与经过一周期回到该点,且在下次发动机开机前的速度不变

楼主的意思可能是把几次加速合到一次比较长的加速时间段,根据能量守恒也能到达 ...

完全正确
就是为了利用地球引力加速吧。
在进地点一次加速,直接奔月是完全可以的,好像阿波罗飞船就是这样做的。嫦娥做多次加速,是为了控制入轨的精度。嫦娥通过多次近地点加速,抬高远地点轨道,直到远地点达到月球附近,嫦娥一号在远地点的速度最慢。嫦娥如果要进去月球轨道需要减速,根据能量守恒加速和减速需要能量一样,消耗的燃料也是一样的。如果嫦娥一号正好在远地点速度最慢的时候进入月球轨道,需要减速的燃料就会最少,所以调控的精度越高,越节约燃料。这次嫦娥的飞行非常完美,节约了一年的燃料,厉害啊。
    我还有一个推测啊,不知道对不对,嫦娥一号一直在近地点加速,目的是抬高远地点,但是不能提高近地点的高度,如果近地点的高度提高了,远地点的速度就会增加,这样会浪费燃料。如果这样在近地点加速的时间是越短越好,如果时间长了就会提高近地点的高度。如果在卫星主发动机推力一定,在近地点加速的时间又受限制的情况下,就需要在进点多次在近地点加速了。阿波罗能直接飞月球,估计是因为他的主发动机推力够大,呵呵。
多次绕圈加速,是否每一次都在测试卫星的速度,在选择最佳的脱离地球引力的速度?谁解惑?
原帖由 listlike 于 2007-11-11 03:17 发表
我还有一个推测啊,不知道对不对,嫦娥一号一直在近地点加速,目的是抬高远地点,但是不能提高近地点的高度,如果近地点的高度提高了,远地点的速度就会增加,这样会浪费燃料。如果这样在近地点加速的时间是越短越好,如果时间长了就会提高近地点的高度。如果在卫星主发动机推力一定,在近地点加速的时间又受限制的情况下,就需要在进点多次在近地点加速了。阿波罗能直接飞月球,估计是因为他的主发动机推力够大,呵呵。

我比较认可这个看法,呵呵。
是发射窗口的原因。这次发射的最佳窗口是在26日,但为了防止26日天气不理想影响发射,所以提前两天上去,在天上多等两天时间。
那不是在那里白绕?呵呵。我还为卫星不舍得离开地球呢?:handshake
新华视点:注解嫦娥奔月十大关节点http://www.sina.com.cn 2007年10月24日20:21 新华网


关节点三:变轨

  当嫦娥一号卫星在16小时轨道飞行一圈半后,10月25日下午,地面注入指令,卫星上推力为50牛顿的调姿发动机开始点火,约4分钟后,推力为490牛顿的主发动机点火实施变轨,将卫星轨道近地点抬高到离地球约600公里的地方。

  10月26日下午,当卫星再次到达近地点时,卫星主发动机再次打开,巨大的推力使卫星上升到24小时轨道。

  在24小时轨道上运行3圈后,卫星上的主发动机第三次点火,实施第二次近地点变轨,嫦娥一号卫星进入48小时轨道。这一时刻大约发生在10月29日。

  这几次变轨都是通过卫星上的发动机使卫星加速。从理论上讲一次变轨就可以实现,但为了充分利用燃料,同时也为了方便地面控制,科学家把变轨逐步分解。

  关节点四:奔月

  在3条大椭圆轨道上经过7天“热身”后,嫦娥一号卫星将正式奔月。

  10月31日,当卫星再一次抵达近地点时,主发动机打开,卫星的速度在短短几分钟之内提高到10.916千米/秒以上,进入地月转移轨道,真正开始了从地球向月球的飞越。

  嫦娥一号卫星选择这样的奔月方式,有着3方面的优点:一是可以确保重力损耗控制在5%以下;二是将几次近地点机动安排在同一地区,有利于地面监测;三是安排了24小时轨道,可以比较方便地解决发射日期延后的问题。


LZ难道没听说过古狗,百度?
谢谢,工作太忙了,没有时间查,谢谢指正。
原帖由 huor 于 2007-11-11 00:39 发表

如果在绕地球的几圈内不计月球引力的影响,近地点加速完全是发动机工作的结果。
我是说绕回来之后更快的速度就等于发动机加速完之后的速度。因为加速的过程很短,可以看成轨迹上一点处完成的。
因为后面再绕一圈 ...

哦,你是这个意思,这样做主要的原因大致是上边网友所说的精度问题,
一是可以确保重力损耗控制在5%以下;绕地球的变轨精度的提高一个是精确地控制重力造成的损耗,在这个基础上又可以减少以后地月转移期间的开启发动机修正的次数,从而大大减少燃料消耗,提高卫星寿命。从现在新闻报道来看,因为第三次近地变轨的精度很高,使得原计划的三次中途修正只做一次就够了。

阿波罗飞船因为有人,时间不能长。  土星5又够力量,飞船带的燃料足够,可以开足力量本月,然后制动,最后又可以开足马力摆脱月球引力回来。
原帖由 率性而为 于 2007-11-11 09:29 发表
是发射窗口的原因。这次发射的最佳窗口是在26日,但为了防止26日天气不理想影响发射,所以提前两天上去,在天上多等两天时间。

绕几圈是早就设计好的,不会受发射时间影响的, 而且原计划里搞成24小时轨道,就是为了应对发射时间变更的问题。
原帖由 huor 于 2007-11-10 23:08 发表

嫦娥要绕地球飞几圈才奔月,这已经成为网上质疑嫦娥的主要问题。网上的答案无一例外都是说只有绕几圈才能得到充分的加速,但我不能赞同这种解释
因为每次的加速点都是在近地点。如果加速过程长度可以忽略,那么加速 ...


嫦娥要绕地球转几圈才奔月的原因其实很简单,主要就是为了节省燃料。

先从变轨说起吧。为什么大部分变轨都发生在近地点或远地点呢?常见的说法是在近地点变轨抬高远地点,远地点变轨抬高近地点。道理没错,但并不完整。选在近地点或远地点变轨的主要好处是为了避开地球重力带来的速度损失,因为这两处卫星的速度和推力方向刚好和重力垂直,变轨时重力只影响速度的方向,不改变其大小,而燃料产生的推力可以全部用于卫星的加速。

当然,理想情况下是这样。什么是理想情况?就是说变轨发动机推力无限大,燃料在一瞬间烧完,卫星也在顷刻间得到全部的速度增量。

现实情况是,嫦娥在三次近地变轨加速中分别用了11分钟,5分钟和784秒(约13分钟)。以嫦娥在近地点超过10公里/秒的速度来计算,在每次10来分钟的变轨过程里,它能跑出去约六七千公里远。这个距离是什么概念?以距离地面600公里的圆轨道来计算,其周长约为43800公里(~(6371+600)* 2 * pi),六七千公里相当于该近地圆轨道周长的六分之一到七分之一,差不多对应于五六十度的弧度,非常可观的一个距离。

由于嫦娥的初始轨道是一个大椭圆轨道,所以当变轨发动机一点火,它就开始离开近地点了,重力也因此在推力的反方向上产生分量。显而易见,离近地点越远,这个分量也越大,意味着点火过程中会有部分燃料被用来克服这个重力分量而损失掉了。很显然,在近地点附近点火一分钟产生的速度损失一定会比在远离近地点的地方点火一分钟受到的损失要少。为了减少速度损失,可以把一个长的点火加速过程分成若干个短的在近地点附近的点火过程,这就是嫦娥采用的策略。

报道说嫦娥的变轨设计可以把重力引起的速度损失控制在百分之五以内。如果采用一次点火法,肯定不止。如果要求卫星一次点火奔月又要减少速度损失,就必须装一个更大的变轨发动机取代原有的490牛发动机。比如说,将发动机推力增加10倍到4.9千牛,那么点火时间只需要原来的十分之一,一次点火就够了。

其实嫦娥使用490牛发动机也是为节约资金和时间,因为它本身就是东方红三号卫星的配套产品。但是由于该发动机是为地球同步轨道而优化设计的,所以其推力并不用设计得太大。因为对于同步轨道发射来说,变轨发动机主要是在卫星运行到同步转移轨道这样一个大椭圆的远地点时把轨道圆化而使用,点火过程中卫星基本已经处在同步轨道的圆上面,重力在轨道各个点都是和速度及推力基本垂直,那怕点火时间长,由重力产生的速度损失也非常小甚至可以忽略不计。另外发动机推力小可以减少关机时的入轨速度误差。换句话说,若嫦娥使用大发动机一次入轨奔月,那么途中的轨道修正恐怕就需要不止一次了。
个人认为不管是因为什么原因,这样的轨道设计都有很大的好处,多次的变轨在很大程度上检验了我国的测控系统,为整个测控体系提供了一次绝好的深空测控的实际实践环境,个人甚至认为应该在多做几次,这为以后积累了无比宝贵的经验,所以是不是1次入轨已经不是那么重要了
虽然我说的没有楼上的那么专业,我没有想到重力加速度的问题,毕竟不是这个专业的啊,不过结论和我差不多,就是卫星发动机的推力不够大,呵呵。
所谓的相位环轨道,在第二阶段探月中被普遍采用。可以搜索相位环地月转移轨道一文,摘录如下

优点

相位环轨道的长处不仅仅体现在轨道设计的优化上,还在于整个探月计划灵活的可实现性上。

a) 探月计划规划灵活,容错性和可实现性强。

相位环轨道的特点是:可以根据实际发射工况的变化对理论计算的转移轨道的形状或方向进行在轨调整,从而在一定范围内,即使发射时间改变或者在地球停泊轨道上运行的时间变化,通过调整转移轨道,可以保证轨道终点时的轨道精度,使得探月计划比较灵活,具有较强的容错性和可实现性。

b) 节省轨道修正能量。

为了保证地月转移轨道终点时的轨道精度,地月转移轨道入轨速度增量的误差需要在地月转移过程中进行修正。由于相位环轨道的周期较长,并且至少存在两个近地点和远地点,因此在地月转移过程中可以执行多次灵活有效的最佳轨道修正,以节省修正能量。DSPSE、Hiten和GEOTAIL等计划的实际飞行数据也证明了这一点。

c) 拓宽发射窗口。

在轨道设计中,可以根据发射窗口的变化灵活地改变每一圈轨道的形状(远地点高度、周期等),以确保轨道最终时刻的时间规划,从而拓宽了发射窗口(DSPSE计划的发射窗口为连续14天)。

d) 降低对测控系统的要求。

在轨道修正前后的一段时间内,地面站要对探测器的飞行轨道进行精确的测量,以提高修正的准确性。一般来说,一个国家的测控站数目和布置的位置都是受到限制的,只能对一定空域内的轨道进行测量。对于相位环转移轨道而言,由于在地月转移中可以多次执行灵活有效的轨道修正,因此可以根据可测量空域的分布来选择轨道修正的位置,从而降低对测控系统的要求。

e) 方便进行机动发动机的在轨推力校正。

在进行一次较大的修正前,需要对机动发动机进行推力校正,以提高修正的准确性。相位环轨道不但可以提供校正机会,而且还能提供最佳的校正位置,以防止推力校正对轨道产生干扰。
可以看看11月的环球科学~~~恩
有个问题:嫦娥在这三圈飞行中近地点的高度到底变化没有?我记得CCTV上说近地点变化了:第一圈是200公里,第二圈是400公里,第三圈是600公里。有谁知道?
]]
我听啦,到觉得该高举HKC啦,如何充分利用有限的力量做好事情其实更需要动脑筋.看来有些列兵级人物,是深藏不露啊.
]]
关于重力造成的损失,我能不能这样理解:
上面的图基本正确。卫星姿态不能随便改动,要动就要能量。要是小动,里面有动量轮,可以微调下。怎么调的,我估计也就是转的快慢了。
原帖由 zlaser 于 2007-11-11 17:55 发表
有个问题:嫦娥在这三圈飞行中近地点的高度到底变化没有?我记得CCTV上说近地点变化了:第一圈是200公里,第二圈是400公里,第三圈是600公里。有谁知道?


近地点变了一次,从入轨的200km变到了600km。这个是第一次变轨,主要目的是为了改善后面近地点测控时的观测条件,显然高一些会好一些。就变了一次,提了一下近地点,否则连续几次都要在远地点变,太麻烦。
多谢oldshrimp兄的好文,解决了我关于这个重力损失的困惑,本来我忽视这个重力和速度的夹角,所以不能想清楚这个区别了。

在补充一些。
这里其实没有HKC和BKC的问题。oldshrimp兄的帖子很好的解释了#24楼关于相位环的优点里的(b)。嫦娥一号不是严格的相位环,但是其多次调相轨道也继承了相位环轨道的一些优点。也就是说如果嫦娥一号的设计师有490N和4900N两个发动机,他也很有可能选择490N发动机,因为这个比在LEO上直接奔月有更多优点。阿波罗是没有办法,载人耗不起时间,而且调相轨道多次穿越辐射带也不好。而无人探测器就不是特别在乎。这就是为什么,以90年日本的HITEN为标志的人类第二次探月,大量采用了相位环/调相轨道,日本的HITEN,SELENE,美国的CLEMENTINE,欧洲的SMART-1,我国的嫦娥一号等等
原帖由 不知所谓 于 2007-11-11 23:45 发表
关于重力造成的损失,我能不能这样理解:


右图是正确的。但是加速点在近地点

重力造成的损失,是指由于重力不垂直于速度矢量,因此对于速度/动量的增加贡献了一个负的冲量,造成损失。只有在近/远地点才是重力垂直于速度矢量
原帖由 不知所谓 于 2007-11-11 23:45 发表
关于重力造成的损失,我能不能这样理解:

关于此图的问题,前面HB兄和shh老大已经说了,让我再多说两句。
推力方向要和速度方向平行(或有分量平行)才能做功,这是初中物理,可是我们很多人都忘了这一点。在绕一圈能量守恒的条件下,考虑推力做功引起的能量变化最直接。
右图想错的情况实际应该是理想情况,大家都希望每时每刻推力方向是沿速度的切线方向,这样推力可以做最多的功。问题如HB兄所说,卫星姿态控制,调整到保持主发动机在工作的任意时刻都正好背对着当时的速度切向并不是那么容易的,甚至对目前算是天顶星技术。如果是用50牛顿的调姿发动机,典型过程如17楼所述,仅仅为了调整到最后对好就需要4分钟。根本不可能做到在速度方向沿轨迹不断变化,且是变化最快的近地点附近还能保持随时对准。如果是用动量轮(这是第一次听说,谢谢HB兄),精度时效不是问题,但是幅度恐怕不够。
如果未来姿态调控技术发展到能够很便宜的做到右图,还是可以的。没有什么原因否定其这么做
此外,我认为动量轮的调节不是一个旋转快慢的问题。虽然没见过这东西,但是因为卫星应该是近似不转的,用角动量守恒的原理调节时调节的应是其积累的结果,就是让里面的轮子转过一定的角度就停下了,而不是一直转。
是为了远地点更远,绕到后几圈时离月球更近,那摸用更少的燃料就可以进入环月轨道,要求是计算要精确,嫦娥将到远地点时,月球要公转到附近,不然就擦肩而过