美国宇航局使用探测器首次进入月球振动轨道

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探测器进入月球轨道的示意图

太阳与地球间的拉格郎日点

美国宇航局经过半年的尝试和超过90次的推演对地球至月球间的转移轨道进行详细的论证。证明了进行这类轨道转移需要的燃料比当前值要少，就能将探测器从地球轨道转移到月球轨道。随着ARTEMIS任务的进行，两个探测器将进行一次类似椭圆形花饰的空间飞跃，从一个轨道转移到另一个轨道。这处宇宙空间最大的特点就是一个平衡点，既没有宇宙天体也没探测器存在。而这两个探测器最初的目的则是研究地球极光的变化。

进行地月轨道转移的优化，即使对于美国宇航局几十年丰富的经验而言，也不是一件容易的事情，而且还能称得上是一个壮举。同时也需要模拟推演，其中包括探测器在月球左右两面进行数个月的飞行，飞行轨迹有些像两个对称的椭圆形。根据美国宇航局戈达德空间飞行中心飞行动力学工程师David Folta介绍，在此之前，从来没有任何空间机构尝试过对这个轨道优化的开发，这是一条存在于地球与月球间的振动（平动）轨道，而且这是一个非常不稳定的轨道，必须每天进行跟踪和不断地调整。

ARTEMIS探测器的任务由2009年开始，旨在研究月球与太阳间相互作用，具体包括轨道交错时的短距离加速、轨道转移和天体的电动力学。此前THEMIS已经对地球磁场环境进行了2年的科学研究，特别是地球大气中出现的极光，以及此现象与太阳的深层次的关系。

这些参与地月轨道优化的探测器都由太阳能供电，随着地月位置的不断变化，轨道间的细小变化在长时间上的积累后，将导致巨大的位移。THEMIS任务中两个探测器已每日中有八小时位于太阳光照射不到的区域，而这些探测器设计的电池只能承受3个小时左右的黑暗时期，长时间的接受不到阳光的照射，将导致电池完全放电，并且降低探测器的使用寿命。

加州大学伯克利分校和戈达德空间飞行中心的项目小组为了维持THEMIS探测器的轨道飞行，每天都在不间断地对探测器进行指令修正。小组首席研究员Angelopoulos指导小组成员探测器进入月球轨道之后首先进行磁场环境的研究工作。但是传感器的数据显示，探测器所剩余的燃料顶多能维持变轨时的需要，而用于进入月球轨道后再进行方向调整以及速度等参数的轨道控制却显得力不从心。

因此，Angelopoulos研究员建议，一些复杂的轨道探测任务进行改变，主要研究方向集中在地月轨道之间微小的引力变化环境。并且将这个主要研究方向与另外两个来自发射小组和戈达德飞行中心的工程师Folta和Woodard交换了意见，最后得出结论，由这两位工程师进行具体的轨道模型的建立，这也将是今后两个进入月球轨道的探测器的主要任务。

该任务的具体步骤是：第一步先拉长轨道远地点，向外扩展至少一半的距离。在进行轨道调整过程中，尽量使用较少的燃料，利用地球引力的作用，将探测器反作用弹射进入月球轨道，达到节约燃料的目的。ARTEMIS探测器进入P1点则相对简单一些，需要进行5次类似的轨道控制，而要进入地月轨道的P2点则需要进行27次轨道机动的控制。第二步：实现探测器由地球轨道进入地球与月球间的竖直椭圆轨道，这个轨道的中心点就是地月间的拉格朗日点，分别位月球的两侧，这个点是地球与月球间的引力平衡点。目前在这个点上的宇宙空间没有任何物体存在。进入地月间的拉格朗日点不仅需要精确的时间和速度，还需要精准的方向，这些都建立在一些深空推演的基础上。

目前，众多的探测器和卫星，例如一些空间望远镜就定点于地球与太阳间的拉格朗日点，一旦地球与月球间的轨道被成功开发，将是空间探测史上的一个重要里程碑。这项轨道优化任务的意义不仅仅在于其本身，同时也为研究月球磁场提供了一个理想的空间环境，定点于这片宇宙空间的探测器可以研究通过月球的太阳风以及如何形成，日冕物质的等离子体对磁场的干扰等。

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