嫦娥四号为什么要在太空中飞行27天那么久才到月球?

一枚游戏科幻迷


题主问的很有道理。按照常理,地球和月球并不远,光一秒多就到了,即便嫦娥四号飞得再慢,也是宇宙探测器,也不至于27天才到。

地月平均距离38万公里,其飞出地球时的速度接近第二宇宙速度,也就是大于7.9km/s小于11.2km/s。

按照保守计算,直线飞行月球也就七个半小时。怎么南辕北辙地飞行了27天!


其实嫦娥四号飞行并不是直线,而是走地月转移轨道。

在这个轨道上大约110小时,期间还需要轨道校正。靠近月球的话必须减速制动才能被月球引力俘获。

那为什么要近月制动呢?

我们知道,地球质量比月球大的多,其逃逸速度才是11.2km/s,这就意味着嫦娥四号速度接近这一数值。而月球的逃逸速度才2.4km/s。嫦娥四号的速度如果不减速,早就飞离月球了。只有减速到其飞行速度刚好等于月球给予嫦娥四号的引力是绕月线速度时,嫦娥四号才会被月球引力俘获。


之后嫦娥四号再慢慢降轨,逐步接近月球表面。下一步才是软着陆。

其实主要是奔月轨道校正,减速制动,降轨,软着陆耗费了绝大部分时间。

要是直线飞行月球的话,也就一下午得时间就到了。


科学认识论


其实嫦娥四号完全不用飞行那么长的时间,地球与月球的平均距离大约是40多万公里!2006年使用Atlas V 551火箭发射的“新视野号”探测器,只用了不到9个小时的时间就穿过了月球轨道,同样的距离阿波罗登月飞船用力3天!这是因为的发射速度是人类有史以来最快的,发射后就具备59384公里\\小时的速度。

(新视野号飞行轨迹)

这个速度不经过任何引力弹弓加速的情况下,只用了13个月就略过了木星轨道!又是同样的距离伽利略号探测器却用了4年!可见发射速度的重要性。新视野号经过这个太阳系第一大行星加速之后,又用了9年的时间终于抵达太阳系边缘冥王星轨道,而它的前辈旅行者号整整用了41年走完这个距离。

(看得出来这27天内嫦娥四号飞船绕地球和月球好多圈)

旅行者号用了木星、土星两次引力弹弓效应来加速,但是飞行速度还是比不上新视野号,在起跑线上就输给了后者,这是决定它的星际旅程漫长的主要原因!我们的嫦娥四号探测器发射速度还不得而知,但是根据这27天的地月轨道机动时间不难断定,我们的发射火箭能提供的速度并不高。


利刃军事


嫦娥四号的登月之旅并非一蹴而就,前期需要做好充分的准备才能实施登月任务。从发射到最终登陆月球表面,嫦娥四号期间还需经过三大步骤,这就使它在太空中要飞行大约27天的时间。

第一步,地月转移。火箭经过一千多秒的时间把嫦娥四号送入地月转移轨道,这是一条近地点为200公里、远地点为42万公里的环绕地球椭圆轨道,嫦娥四号目前正在沿着这条轨道奔赴月球。经过4天的时间,嫦娥四号将会飞到地月转移轨道的远端,那时它将距离地球42万公里。

第二步,近月制动。在嫦娥四号抵达地月转移轨道的远端之后,需要通过反推火箭给探测器减速。经过恰到好处的制动之后,嫦娥四号才能顺利被月球的引力捕获,从而以一个轨道高度为100公里的圆形轨道绕月飞行。

第三步,环月飞行。接下来的二十几天,嫦娥四号会一直绕着月球飞行。在此期间,嫦娥四号会适时变轨进入近月面只有15公里的椭圆轨道。与此同时,嫦娥四号还会与在轨多时的鹊桥号中继卫星进行通信连接,为最终着陆做好准备。

由于进行第一次近月制动时还是月球背面的黑夜,而月球的自转周期大约为27.3天,所以嫦娥四号将要等上很长一段时间才能再次迎来月球背面的白天。选择在月球背面的上午着陆,这样嫦娥四号才能利用太阳能在月表开展各项工作。


火星一号


因为月亮离我们真的很远。

图示:嫦娥四号,于12月8日2时23分,顺利升空。踏上登陆月球背面的征程。它将代表人类首次登陆月球背面。

它将在12日的16:42左右进行近月制动并进入月球轨道。所以,并不需要飞27天才能到达月球,只不过要降落到月球背面需要等待合适的时机,在这段时间内,它将绕月飞行。


古人说月上柳梢头,人约黄昏后。但古人可万万想不到,月亮离大地的距离会遥远到一光秒多,即光都需要走一秒多钟才能到达。月地距离随着月亮的运动,会有较大变化,最近时距离地球36.3万公里,最远时则为40.6万公里,平均距离为38.4万公里,这是因为月亮围绕地球的轨道是一个椭圆形的轨道。

其次,嫦娥四号不是要撞向月球,而是要成为月球的卫星,然后再进行软着陆,这让它的速度也不能太快,否则将从月亮身边飞掠而过,一去不回头。

这张图总结了嫦娥一二三号抵达月球轨道的时间。可以发现嫦娥二号和三号的抵达时间一致,并且比一号快了不少。

嫦娥一号到达月球轨道,花了大约十二天

嫦娥二号和三号到达月球轨道,则只花了大约五天时间。

但与嫦娥三号不同,这次奔月路,比“嫦娥三号”时的三十八万公里多了四万公里,多了10.5%,但并不需要消耗更多时间,因为这次的发射火箭不一样。


27天中包含了绕月飞行的14~15天。

大多数时间其实是用在绕月飞行,等待着陆区的天亮!

和地球不同,地球的自转周期是24小时一圈,所以地球的每个面都会在24小时的时间里,经历一次白天一次黑夜。但是月亮的自转速度很慢,它要地球时的28天才自转一周,而嫦娥四号到达月球时,正是月球背面进入黑夜的时刻,因此,它需要绕月飞行大约半个月的时间,才能再次等到月球背面太阳升起的时刻。

图示:月亮上的日出想象图。


那为啥不选一个白天到达的时间发射呢?

因为,这事儿由不得我们。基于探月轨道的特殊性,从我国领土往月球飞,并不是每天都能飞的,如果错开这次窗口12月8日-9日这两天,就得等明年的合适时间才能再发射了。再说,这样也不是没有好处,这可以让我国航天工程师们,有充足的时间,测试当嫦娥四号绕到月球背面后,是否能与鹊桥通讯卫星之间实现信号传输,并和地球取得联系。



三思逍遥


嫦娥四号为什么要在太空中飞行27天那么久才到月球?

据公开报道的资料嫦娥四号需要自12月8日凌晨2:23发射后,需要将近27天的时间才能最终到达艾肯特盘地,这对大家都比较熟悉的阿波罗登月只用了三天就到达月球实在有些漫长,但阿波罗载人且登陆正面....我们来看看为何要27天才能到达月球?

在讨论这个问题之前,我们先来看看嫦娥三号是如何登陆月球的,因为嫦娥四号是三号的备份星,尽管载荷有所不同但结构一致发射火箭一致的情况下有极大的参考价值!

嫦娥三号是2013年的12月2日1:30发射,也是在凌晨!

12月6日时即已经进入100KM环月轨道

12月10日变轨进入远月点100KM,近月点15KM的椭圆轨道

12月14日21:11分嫦娥三号在月面软着陆成功!

从发射开始到降落,嫦娥三号大约用了半个月时间!但由于探月轨道的性质,发射时间随月球位置而定的,如下图所示!

从我国境内想月球发射探测器走的是一条追赶月球的轨道,由于当前火箭推力以及比冲的局限性(从节省燃料、增大载荷考虑),都会选择一条最经济的轨道前往月球,因此这个时机是不多的,理论最经济的轨道窗口一年只有一次,而且会随时间推移时间上会有一些前后差异!

但是非常抱歉,这条轨道尽管前往月球是最经济的线路,但此时却是前往月球正面的,因为到达时候月球的正面刚好是白天,而嫦娥四号打算降落的位置却是晚上!

由于地月系的潮汐锁定,导致月球的围绕地球公转过程中,半圈是白天,半圈是黑夜,那么月球公转一圈是多久呢?27.3天,因此月球上大概13.6天是白天,13.6天是黑夜,这样对吗?

理论上是对的,但却没有考虑地球在太阳轨道上的位置,因此真正的月球白天+黑夜是29.53059天,这和30天一个月已经非常接近了,所以我们说半个月白天半个月黑夜没毛病!

因此嫦娥四号与嫦娥三号一样,到达月球100KM的环绕轨道时间并不久,5天左右即可到达,再几天调整进入15KM近月点的登月轨道也就3-4天时间,但此时月球背面已经接近黑夜,降落就要摸黑工作,尽管嫦娥四号载有同位素电池,但那只是辅助保温使用,真正的工作展开和月球车四处溜达,需要太阳光的支持!!参考嫦娥三号12天降落+接近15天等待,几乎就是27天!等待是最折磨人的,但只能静静的等待!

嫦娥四号组合体的太阳能电池

嫦娥四号月球车的太阳能电池!

因此阳光在探月过程中非常关键,我们要确保在冯·卡门撞击坑降落时是艾肯特盘地的清晨,保证以最大的白天时间来开展第一次月面探索工作!!

因此尽管嫦娥四号要不了几天就已经到达月球,但却只能在近月轨道上一圈圈的绕行,等到艾肯特盘地天亮了才能降落月球!


星辰大海路上的种花家


今天凌晨2:23嫦娥四号发射成功,不久后就成功进入地月转移轨道,完成了登月的第一步,开始了向月球飞行的旅程,但要需要27天才会软着陆月球。

探测器登月自然不像开汽车那样直来直去,在地球上发射将嫦娥四号推入了远地点42万公里的地月转移轨道,这个轨道可比地球和月球之间的距离还大,距离又这么远,自然不可能着陆。在轨道上,嫦娥四号需要经过不断地调整飞行速度等运行参数,使嫦娥四号不断地接近月球,直到降低到合适高度,调整好参数后,在合适的时机启动软着陆程序,由于是在月球背面登陆,就需要先期发射的鹊桥号中继卫星中转地球信号并不断修正轨道。

而这个调整阶段是27天,快一点其实也可以,但是那样的话需要探测器携带更多的燃料,对发射和过程中轨道调整的要求也高一些,嫦娥四号进入月球100公里轨道需要两周左右的调整,但入轨后是月球夜晚,需要等到白天登陆,大约又是半个月,加起来小一个月时间。嫦娥四号与嫦娥三号一样,采用登陆器和巡视车两部分,到达月球后,登陆器将巡视车释放出来,对月球背面的冯卡门陨石坑展开巡视探测。

登陆器也携带着一个特殊的“箱子”,装着探头和几种植物种子,用于试验地球生物在月球人造环境中的生长试验,鹊桥号和嫦娥四号都带有低频射线探测仪,可以在月球背面环境捕捉更弱的信号,在月背进行深空探测试验,探讨将来人类在月球背面建观测基地的可能性。


来看世界呀


中国嫦娥四号探月器在8日凌晨已成功发射,进入远地点42万公里,近地点200公里的轨道,大约要27天后进入降落程序。在近月点开始实施制动,进入100公里环月轨道。


据航天集团设计师介绍:探测器成为月球的卫星,然后再着陆到月球。跟月球有个交会的过程,机会短暂又唯一。因为与月球交会时,从两条路过来的两个物体,只有在这时做相对应的减速,两物体才能成为一体。

嫦娥四号在8日凌晨两点半,跨越万里来到月球后,嫦娥四号不能着急着陆,它绕月飞行的时间比嫦娥三号要多十几天(27天)。为什么呢?

据报道,经精准计算后,嫦娥四号定在月球背面的上午着陆。工作人员在第一次近月制动后,轨道面到着陆区上方时,正好是着陆区晚上。而为了探测器落一到月球上就有充分的太阳光能,以便展开工作,就需要在月球白天着陆,由于月球的自转周期刚好是28天。也就是说在月球上的一天,相当于地球上的一个月,所以月球黑夜绕月飞行的嫦娥四号探测器,就要等上大约半个月才能让它赶在月球的白天实施着陆。

嫦娥四号升空时间和着陆时间都经过精确的计算和设计,以保证这次月背软着陆圆满成功。


弄潮科学


其实不是嫦娥四号要飞27天才能到,而是起飞和27天才能着陆。

这是因为嫦娥四号要登陆月球背面,释放玉兔二号月球车进行月面探测,需要太阳提高照明和太阳能电池的电能,这样可以节省所同位素电池的消耗,可持续工作更长的时间。

而嫦娥四号的发射日期是12月8日,农历初二,当它到达月球附近时,已经接近农历十五,农历十五月球正面是白天,而月球背面则是晚上,也就是说,当嫦娥四号到达月球附近时,月球背面的着陆地点的白天已经是晚上了。


为了着陆后释放月球车后就能获得充足的太阳光来给月球车提供电能,计划选择了着陆地阳光充足的早上进行着陆。计划着陆地点是冯·卡门撞击坑,位于月球的东经173°-179°,南纬43°-47°之间。


而月球的经纬度是以正对地球面的中心为0点的。


也就是说它几乎在月球的正背面。来张背面图看看具体位置吧。

所以它的早上也就要到大约27天后了。


星宇飘零2099


嫦娥四号于12月8日凌晨发射升空。现已踏上飞往月球背面的征程。目前经过几天的飞行,于12日的16:42左右进行近月制动,受月球引力影响,被月球引力所捕获,进入了绕月轨道。接下来二十几天的时间里,作为月球的卫星,选择合适机会实现软着陆,首次实现人类历史上对月球背面的探索。



通过上图我们发现,要经过6个阶段,火箭发射——近月制动——绕月飞行——环月降轨——落月——着陆器月球车分离。按计划1月3、4号着陆。为什么要等待这个时间呢?原因有二个方面。

1,设备调试准备,月球背面接收不到来自地球的信号,需要第三方中继,目前使用了鹊桥卫星,这个过程需要测试,确保顺利通过。

2,选择月球背面白天着陆,而且太阳高度角高,辐射能量集中的时间段,便于太阳能电池板发出更多的电。供设备使用。


如上图,红色方框内是月球背面的白天,从我们地球上看月相变化,应是在下弦月——新月——上弦月之间,这个白天就是朔望月周期29.5天一半,15天左右。而新月时间是农历腊月初一,下弦月是月球背面由夜间向白天转换的临界点,相当于我们地球上日出。今天是农历初七,目前月球背面还是黑夜,还要等半个月时间才能迎来日出。嫦娥四号计划1月3、4号着陆。农历日期是二十八、九,相当于我们地球上午11点左右,那时可谓是如日中天,艳阳高照,阳光灿烂。这可是一个石破天惊的日子,必将载入人类历史史册,实现我国几代人的航天梦想。

27天的航行,更多的时间是等待和设备调试,随着科学技术的发展,装备的设计完善,登月时间会越来越短。坐地日行八万里,巡天遥看一千河,宇宙存知己,天涯若比邻。海上生明月,天涯共此时。古人的美好愿望就在我们眼前,愿您向天再借五百年,与日争辉,与月相伴。谢谢大家,欢迎点赞,评论,转发。


苏老师的户外课堂


作为一个无人航天探测器,其工作任务是经过严格认证的,不同于有人探测的时间迫切性,因此经济性是这次嫦娥四号的第二要素。


27天的时间,如果是有人探索,那么维持生命系统运转的:氧气、水分、食物、气压平衡、温度调节、返回装置等等就会占据航天器的绝大部分,其次才是燃料推进剂。


但是27天对于无人探测器而言就没那么漫长了,通过十几次地球的引力弹弓加速,航天器最终摆脱地球引力,仅仅依靠不多的能量,就飞向月球,最终被月球引力捕获,开始绕月减速过程,这是飞出地球的反过程,经过几次环绕,达到近乎圆形轨道,然后找准时机,开始下降,缓慢着陆。

如果是火箭推进直接将探测器送达月球轨道,需要的火箭比长征三号乙大3-5倍,推力才能更强,而这样的火箭,费用比长征三号乙多10倍不止。星际探测不是比烧钱,也得讲究费效比。


着陆后就要探测器自检,启动与鹊桥号的通讯,然后开始月面征程,由于工作区域处于人类视野之外,无线电波都无法直接遥控,必须等鹊桥号中转才能够进行。


其实,月球的公转周期是27.3天,这其中的关系,大家好好联想一下!?


………………

这里是诸葛小村姑为您报道,欢迎关注!


分享到:


相關文章: