嫦娥四號為什麼要在太空中飛行27天那麼久才到月球?

一枚遊戲科幻迷


嫦娥四號的登月之旅並非一蹴而就,前期需要做好充分的準備才能實施登月任務。從發射到最終登陸月球表面,嫦娥四號期間還需經過三大步驟,這就使它在太空中要飛行大約27天的時間。

第一步,地月轉移。火箭經過一千多秒的時間把嫦娥四號送入地月轉移軌道,這是一條近地點為200公里、遠地點為42萬公里的環繞地球橢圓軌道,嫦娥四號目前正在沿著這條軌道奔赴月球。經過4天的時間,嫦娥四號將會飛到地月轉移軌道的遠端,那時它將距離地球42萬公里。

第二步,近月制動。在嫦娥四號抵達地月轉移軌道的遠端之後,需要通過反推火箭給探測器減速。經過恰到好處的制動之後,嫦娥四號才能順利被月球的引力捕獲,從而以一個軌道高度為100公里的圓形軌道繞月飛行。

第三步,環月飛行。接下來的二十幾天,嫦娥四號會一直繞著月球飛行。在此期間,嫦娥四號會適時變軌進入近月面只有15公里的橢圓軌道。與此同時,嫦娥四號還會與在軌多時的鵲橋號中繼衛星進行通信連接,為最終著陸做好準備。

由於進行第一次近月制動時還是月球背面的黑夜,而月球的自轉週期大約為27.3天,所以嫦娥四號將要等上很長一段時間才能再次迎來月球背面的白天。選擇在月球背面的上午著陸,這樣嫦娥四號才能利用太陽能在月表開展各項工作。


火星一號


其實嫦娥四號完全不用飛行那麼長的時間,地球與月球的平均距離大約是40多萬公里!2006年使用Atlas V 551火箭發射的“新視野號”探測器,只用了不到9個小時的時間就穿過了月球軌道,同樣的距離阿波羅登月飛船用力3天!這是因為的發射速度是人類有史以來最快的,發射後就具備59384公里\\小時的速度。

(新視野號飛行軌跡)

這個速度不經過任何引力彈弓加速的情況下,只用了13個月就略過了木星軌道!又是同樣的距離伽利略號探測器卻用了4年!可見發射速度的重要性。新視野號經過這個太陽系第一大行星加速之後,又用了9年的時間終於抵達太陽系邊緣冥王星軌道,而它的前輩旅行者號整整用了41年走完這個距離。

(看得出來這27天內嫦娥四號飛船繞地球和月球好多圈)

旅行者號用了木星、土星兩次引力彈弓效應來加速,但是飛行速度還是比不上新視野號,在起跑線上就輸給了後者,這是決定它的星際旅程漫長的主要原因!我們的嫦娥四號探測器發射速度還不得而知,但是根據這27天的地月軌道機動時間不難斷定,我們的發射火箭能提供的速度並不高。


利刃軍事


題主問的很有道理。按照常理,地球和月球並不遠,光一秒多就到了,即便嫦娥四號飛得再慢,也是宇宙探測器,也不至於27天才到。

地月平均距離38萬公里,其飛出地球時的速度接近第二宇宙速度,也就是大於7.9km/s小於11.2km/s。

按照保守計算,直線飛行月球也就七個半小時。怎麼南轅北轍地飛行了27天!


其實嫦娥四號飛行並不是直線,而是走地月轉移軌道。

在這個軌道上大約110小時,期間還需要軌道校正。靠近月球的話必須減速制動才能被月球引力俘獲。

那為什麼要近月制動呢?

我們知道,地球質量比月球大的多,其逃逸速度才是11.2km/s,這就意味著嫦娥四號速度接近這一數值。而月球的逃逸速度才2.4km/s。嫦娥四號的速度如果不減速,早就飛離月球了。只有減速到其飛行速度剛好等於月球給予嫦娥四號的引力是繞月線速度時,嫦娥四號才會被月球引力俘獲。



之後嫦娥四號再慢慢降軌,逐步接近月球表面。下一步才是軟著陸。

其實主要是奔月軌道校正,減速制動,降軌,軟著陸耗費了絕大部分時間。

要是直線飛行月球的話,也就一下午得時間就到了。


科學認識論


因為月亮離我們真的很遠。

圖示:嫦娥四號,於12月8日2時23分,順利升空。踏上登陸月球背面的征程。它將代表人類首次登陸月球背面。它將在12日的16:42左右進行近月制動並進入月球軌道。所以,並不需要飛27天才能到達月球,只不過要降落到月球背面需要等待合適的時機,在這段時間內,它將繞月飛行。


古人說月上柳梢頭,人約黃昏後。但古人可萬萬想不到,月亮離大地的距離會遙遠到一光秒多,即光都需要走一秒多鍾才能到達。月地距離隨著月亮的運動,會有較大變化,最近時距離地球36.3萬公里,最遠時則為40.6萬公里,平均距離為38.4萬公里,這是因為月亮圍繞地球的軌道是一個橢圓形的軌道。

其次,嫦娥四號不是要撞向月球,而是要成為月球的衛星,然後再進行軟著陸,這讓它的速度也不能太快,否則將從月亮身邊飛掠而過,一去不回頭。

這張圖總結了嫦娥一二三號抵達月球軌道的時間。可以發現嫦娥二號和三號的抵達時間一致,並且比一號快了不少。

嫦娥一號到達月球軌道,花了大約十二天

嫦娥二號和三號到達月球軌道,則只花了大約五天時間。

但與嫦娥三號不同,這次奔月路,比“嫦娥三號”時的三十八萬公里多了四萬公里,多了10.5%,但並不需要消耗更多時間,因為這次的發射火箭不一樣。


27天中包含了繞月飛行的14~15天。

大多數時間其實是用在繞月飛行,等待著陸區的天亮!

和地球不同,地球的自轉週期是24小時一圈,所以地球的每個面都會在24小時的時間裡,經歷一次白天一次黑夜。但是月亮的自轉速度很慢,它要地球時的28天才自轉一週,而嫦娥四號到達月球時,正是月球背面進入黑夜的時刻,因此,它需要繞月飛行大約半個月的時間,才能再次等到月球背面太陽昇起的時刻。

圖示:月亮上的日出想象圖。


那為啥不選一個白天到達的時間發射呢?

因為,這事兒由不得我們。基於探月軌道的特殊性,從我國領土往月球飛,並不是每天都能飛的,如果錯開這次窗口12月8日-9日這兩天,就得等明年的合適時間才能再發射了。再說,這樣也不是沒有好處,這可以讓我國航天工程師們,有充足的時間,測試當嫦娥四號繞到月球背面後,是否能與鵲橋通訊衛星之間實現信號傳輸,並和地球取得聯繫。



三思逍遙


嫦娥四號為什麼要在太空中飛行27天那麼久才到月球?

據公開報道的資料嫦娥四號需要自12月8日凌晨2:23發射後,需要將近27天的時間才能最終到達艾肯特盤地,這對大家都比較熟悉的阿波羅登月只用了三天就到達月球實在有些漫長,但阿波羅載人且登陸正面....我們來看看為何要27天才能到達月球?

在討論這個問題之前,我們先來看看嫦娥三號是如何登陸月球的,因為嫦娥四號是三號的備份星,儘管載荷有所不同但結構一致發射火箭一致的情況下有極大的參考價值!

嫦娥三號是2013年的12月2日1:30發射,也是在凌晨!

12月6日時即已經進入100KM環月軌道

12月10日變軌進入遠月點100KM,近月點15KM的橢圓軌道

12月14日21:11分嫦娥三號在月面軟著陸成功!

從發射開始到降落,嫦娥三號大約用了半個月時間!但由於探月軌道的性質,發射時間隨月球位置而定的,如下圖所示!

從我國境內想月球發射探測器走的是一條追趕月球的軌道,由於當前火箭推力以及比衝的侷限性(從節省燃料、增大載荷考慮),都會選擇一條最經濟的軌道前往月球,因此這個時機是不多的,理論最經濟的軌道窗口一年只有一次,而且會隨時間推移時間上會有一些前後差異!

但是非常抱歉,這條軌道盡管前往月球是最經濟的線路,但此時卻是前往月球正面的,因為到達時候月球的正面剛好是白天,而嫦娥四號打算降落的位置卻是晚上!

由於地月系的潮汐鎖定,導致月球的圍繞地球公轉過程中,半圈是白天,半圈是黑夜,那麼月球公轉一圈是多久呢?27.3天,因此月球上大概13.6天是白天,13.6天是黑夜,這樣對嗎?

理論上是對的,但卻沒有考慮地球在太陽軌道上的位置,因此真正的月球白天+黑夜是29.53059天,這和30天一個月已經非常接近了,所以我們說半個月白天半個月黑夜沒毛病!

因此嫦娥四號與嫦娥三號一樣,到達月球100KM的環繞軌道時間並不久,5天左右即可到達,再幾天調整進入15KM近月點的登月軌道也就3-4天時間,但此時月球背面已經接近黑夜,降落就要摸黑工作,儘管嫦娥四號載有同位素電池,但那只是輔助保溫使用,真正的工作展開和月球車四處溜達,需要太陽光的支持!!參考嫦娥三號12天降落+接近15天等待,幾乎就是27天!等待是最折磨人的,但只能靜靜的等待!

嫦娥四號組合體的太陽能電池

嫦娥四號月球車的太陽能電池!

因此陽光在探月過程中非常關鍵,我們要確保在馮·卡門撞擊坑降落時是艾肯特盤地的清晨,保證以最大的白天時間來開展第一次月面探索工作!!

因此儘管嫦娥四號要不了幾天就已經到達月球,但卻只能在近月軌道上一圈圈的繞行,等到艾肯特盤地天亮了才能降落月球!


星辰大海路上的種花家


其實不是嫦娥四號要飛27天才能到,而是起飛和27天才能著陸。

這是因為嫦娥四號要登陸月球背面,釋放玉兔二號月球車進行月面探測,需要太陽提高照明和太陽能電池的電能,這樣可以節省所同位素電池的消耗,可持續工作更長的時間。

而嫦娥四號的發射日期是12月8日,農曆初二,當它到達月球附近時,已經接近農曆十五,農曆十五月球正面是白天,而月球背面則是晚上,也就是說,當嫦娥四號到達月球附近時,月球背面的著陸地點的白天已經是晚上了。


為了著陸後釋放月球車後就能獲得充足的太陽光來給月球車提供電能,計劃選擇了著陸地陽光充足的早上進行著陸。計劃著陸地點是馮·卡門撞擊坑,位於月球的東經173°-179°,南緯43°-47°之間。


而月球的經緯度是以正對地球面的中心為0點的。


也就是說它幾乎在月球的正背面。來張背面圖看看具體位置吧。

所以它的早上也就要到大約27天后了。


星宇飄零2099


今天凌晨2:23嫦娥四號發射成功,不久後就成功進入地月轉移軌道,完成了登月的第一步,開始了向月球飛行的旅程,但要需要27天才會軟著陸月球。

探測器登月自然不像開汽車那樣直來直去,在地球上發射將嫦娥四號推入了遠地點42萬公里的地月轉移軌道,這個軌道可比地球和月球之間的距離還大,距離又這麼遠,自然不可能著陸。在軌道上,嫦娥四號需要經過不斷地調整飛行速度等運行參數,使嫦娥四號不斷地接近月球,直到降低到合適高度,調整好參數後,在合適的時機啟動軟著陸程序,由於是在月球背面登陸,就需要先期發射的鵲橋號中繼衛星中轉地球信號並不斷修正軌道。

而這個調整階段是27天,快一點其實也可以,但是那樣的話需要探測器攜帶更多的燃料,對發射和過程中軌道調整的要求也高一些,嫦娥四號進入月球100公里軌道需要兩週左右的調整,但入軌後是月球夜晚,需要等到白天登陸,大約又是半個月,加起來小一個月時間。嫦娥四號與嫦娥三號一樣,採用登陸器和巡視車兩部分,到達月球后,登陸器將巡視車釋放出來,對月球背面的馮卡門隕石坑展開巡視探測。

登陸器也攜帶著一個特殊的“箱子”,裝著探頭和幾種植物種子,用於試驗地球生物在月球人造環境中的生長試驗,鵲橋號和嫦娥四號都帶有低頻射線探測儀,可以在月球背面環境捕捉更弱的信號,在月背進行深空探測試驗,探討將來人類在月球背面建觀測基地的可能性。


來看世界呀


嫦娥四號於12月8日凌晨發射升空。現已踏上飛往月球背面的征程。目前經過幾天的飛行,於12日的16:42左右進行近月制動,受月球引力影響,被月球引力所捕獲,進入了繞月軌道。接下來二十幾天的時間裡,作為月球的衛星,選擇合適機會實現軟著陸,首次實現人類歷史上對月球背面的探索。


通過上圖我們發現,要經過6個階段,火箭發射——近月制動——繞月飛行——環月降軌——落月——著陸器月球車分離。按計劃1月3、4號著陸。為什麼要等待這個時間呢?原因有二個方面。

1,設備調試準備,月球背面接收不到來自地球的信號,需要第三方中繼,目前使用了鵲橋衛星,這個過程需要測試,確保順利通過。

2,選擇月球背面白天著陸,而且太陽高度角高,輻射能量集中的時間段,便於太陽能電池板發出更多的電。供設備使用。

如上圖,紅色方框內是月球背面的白天,從我們地球上看月相變化,應是在下弦月——新月——上弦月之間,這個白天就是朔望月週期29.5天一半,15天左右。而新月時間是農曆臘月初一,下弦月是月球背面由夜間向白天轉換的臨界點,相當於我們地球上日出。今天是農曆初七,目前月球背面還是黑夜,還要等半個月時間才能迎來日出。嫦娥四號計劃1月3、4號著陸。農曆日期是二十八、九,相當於我們地球上午11點左右,那時可謂是如日中天,豔陽高照,陽光燦爛。這可是一個石破天驚的日子,必將載入人類歷史史冊,實現我國幾代人的航天夢想。

27天的航行,更多的時間是等待和設備調試,隨著科學技術的發展,裝備的設計完善,登月時間會越來越短。坐地日行八萬裡,巡天遙看一千河,宇宙存知己,天涯若比鄰。海上生明月,天涯共此時。古人的美好願望就在我們眼前,願您向天再借五百年,與日爭輝,與月相伴。謝謝大家,歡迎點贊,評論,轉發。


蘇老師的戶外課堂



嫦娥四號作為嫦娥三號的備份星,在嫦娥三號任務成功後就擔任了登陸月球背面的使命,今天凌晨兩點二十三發射的嫦娥四號是人類歷史上第一顆著陸月球背面的探測器,嫦娥四號將為我國的月球事業做出重大貢獻。

雖然月球是距離地球最近的天體,平均距離只有38萬公里,但是航天器登陸月球並不是簡簡單單的飛到月球然後降落就行了,而是需要進行復雜的變軌和時間調整,從而保證合理利用每一份燃料和每一秒時間。


嫦娥四號的月面活動主要能源是太陽能電池板,因而必須要在月球背面朝向太陽的時候才能降落,而月球的自轉週期是28天,所以嫦娥四號必須要不斷調整軌道並且等待月球背面的白天。

嫦娥四號的奔月軌道要比嫦娥三號長一點,中間要經歷繞地球飛行的停泊軌道,前往月球的過渡軌道以及繞月球公轉軌道,最後才是下降到月球背面。

以上這些變軌都是需要很長時間來進行的,這是充分考慮到時間和燃料等因素的結果,各方面原因綜合起來就使得嫦娥四號的登月之旅長達近一個月。

其實歸根結底還是因為人類的科學技術太過於落後,不得不慢慢的靠變軌來登陸月球,相信幾十年之後,當我國建立自己的月球基地之後,往返月球的時間肯定會大大縮短。


宇宙探索未解之迷


作為一個無人航天探測器,其工作任務是經過嚴格認證的,不同於有人探測的時間迫切性,因此經濟性是這次嫦娥四號的第二要素。


27天的時間,如果是有人探索,那麼維持生命系統運轉的:氧氣、水分、食物、氣壓平衡、溫度調節、返回裝置等等就會佔據航天器的絕大部分,其次才是燃料推進劑。


但是27天對於無人探測器而言就沒那麼漫長了,通過十幾次地球的引力彈弓加速,航天器最終擺脫地球引力,僅僅依靠不多的能量,就飛向月球,最終被月球引力捕獲,開始繞月減速過程,這是飛出地球的反過程,經過幾次環繞,達到近乎圓形軌道,然後找準時機,開始下降,緩慢著陸。

如果是火箭推進直接將探測器送達月球軌道,需要的火箭比長征三號乙大3-5倍,推力才能更強,而這樣的火箭,費用比長征三號乙多10倍不止。星際探測不是比燒錢,也得講究費效比。


著陸後就要探測器自檢,啟動與鵲橋號的通訊,然後開始月面征程,由於工作區域處於人類視野之外,無線電波都無法直接遙控,必須等鵲橋號中轉才能夠進行。


其實,月球的公轉週期是27.3天,這其中的關係,大家好好聯想一下!?


………………

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