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嫦娥五号是中国首个月球采样返回任务。在完成月球表面采样后,嫦娥五号需要经历复杂的返回过程。首先从月面起飞,然后与轨道器对接,最后沿着返回轨道飞向地球。这个过程中最关键的问题是:为什么要在近月点进行加速?
轨道力学是理解航天器运动的基础。在椭圆轨道中,航天器围绕中心天体运动,距离中心天体最近的点叫近月点,最远的点叫远月点。根据开普勒定律和万有引力定律,航天器在近月点速度最大,在远月点速度最小。这种速度变化是由引力作用造成的。
月球的引力场与地球相比有显著差异。月球质量约为地球的八十一分之一,表面重力加速度只有1.62米每秒平方,约为地球的六分之一。月球的逃逸速度为2.38千米每秒,远小于地球的11.2千米每秒。这些特点使得航天器更容易从月球表面起飞,但也需要精确计算轨道参数。
逃逸速度是物体摆脱天体引力束缚所需的最小速度。当物体的动能大于或等于引力势能时,就能够逃离天体的引力场。对于月球,逃逸速度约为2.38千米每秒。根据初始速度的不同,物体会形成不同的轨道:低于轨道速度时形成椭圆轨道,等于轨道速度时形成圆轨道,达到逃逸速度时形成抛物线轨道。
在近月点进行加速具有显著优势。首先,近月点是轨道速度最大的位置,此时加速能够获得最佳的速度叠加效果。根据速度矢量叠加原理,当推进器提供的速度增量与原有轨道速度同向时,能够最大化地增加航天器的动能。相比在远月点或中间位置加速,近月点加速的燃料效率最高,所需燃料最少。