飞船从地球到月球的航行会走怎样的轨道路径？为什么如此选择

飞船从地球到月球的航行会走怎样的轨道路径？为什么如此选择~

通常有两种轨道。
第一种是远地点刚好超过地月平衡L1点的大椭圆轨道。月球的引力会把飞船拉向月球。这个轨道的优点是节省燃料。
第二种是远地点远远超过月球轨道的大椭圆轨道。这种轨道的好处是一旦飞船发生故障，就会略过月球，绕一个大圈后自然返回近地点。而不会被月球捕获或者弹射到太阳轨道，那样的话就永远回不来了。

个人觉得，飞船从地球飞到月球的运动属于物理运动，满足经典力学(classical mechanics) 里的哈密顿力学(Hamilton Principle)定律。一开始，飞机像地球一样绕着太阳转。再加一点力，使航天器沿椭圆轨道逐渐收紧，进入月球轨道运行。
咋们先看看嫦娥一号是如何奔向月球的吧
嫦娥一号是“弯弯绕”飞的
它的整个飞行过程可分为三个轨道段：环绕地球飞行轨道段（又称调相轨道段）、地月转移轨道段、环绕月球飞行轨道段。

当嫦娥1号发射升空，卫星不直接进入月球轨道，加速其进入地球的月亮，但已绕地球三轨道机动。在远地点消防第一时间，几乎高达600km的高点，然后16小时的轨道周期，16小时在轨运行三圈后，卫星轨道近地点二次重新点火，24小时的轨道周期，在轨道上运行三圈，再次卫星近地点，第三点火轨道，轨道周期为48小时。

卫星绕着地球进行三次变轨，被称为调相轨道。卫星在调相轨道运行结束到达最后一个近地点时再作一次大的轨道机动，使卫星进入地月转移轨道。随后卫星将沿着这条转移轨道飞向月球，飞行114小时后到达近月点。为了使其变为绕月飞行的月球卫星，还需在近月点作三次减速机动，机动后的轨道周期相继是12小时、3.5小时和127分钟。

为什么采用弯弯绕的方法？
主要是为了节省燃料；如果嫦娥一号直接飞往地月转移轨道需要更多的燃料以获取更大的推动力。另外是将几次近地点机动安排在同一地区方便变轨的实施，有利于地面监测。原因之三是由于调相轨道中有24小时的轨道可以方便不同日期发射卫星。
总结
飞船从地球飞到月球方法很多，但要考虑实际情况和具体经验的积累。并不是理论上看起来越简单的方法越容易实现。

航天器当然可以直接从地球飞到月球，而且说实话也没什么难度，不过前提是，着地前得有减速——应该没人会喜欢在着陆时附送一个蘑菇云或者火球什么的吧～

既然大家都喜欢轻轻的落在月球表面，那也就意味着最好航天器到达月球表面时的速度为0。
一个可行的方案，是在快到达月球时发动机反向工作来减速，而对于观众而言，火箭呼啸而去，然后一个漂亮的转身急停无疑的确是非常帅气……

But，绝大部分航天工程师的审美和大众是不同的，漂亮的转身急停在他们看来是一种愚蠢的浪费推进剂的行为，来个精准的“抛球”更符合他们的审美——“抛出”航天器，利用地球引力逐渐减速，当到达月球时速度恰好减速到0。
而我们知道，如果一个物体只在引力作用下绕另外一个物体运动，根据开普勒定律，其轨迹必然是一个椭圆形，因此在发动机结束工作，航天器接近月球前，其轨道将是一个近地点在地球附近，远地点为距离地球38W公里的椭圆轨道，至于把它叫做霍曼转移轨道还是地月转移轨道，都没什么关系。

此图中地球和月球不是真实比例。

当然，这个轨道没有考虑到月球引力，加入月球引力后，真实的转移轨道如下图。

之所以是8字形，是因为这个是阿波罗的轨道，阿波罗轨道最大的特点是：它上面有人。所以NASA选择了一条“自由返回轨道”，也就是说如果阿波罗飞到月球后，不启动发动机减速的话，它会自动返回地球，而不会被月球捕获成为月球的卫星。这个设计在阿波罗13号上发挥了作用——在主发动机无法工作的情况下成功返回地球。很显然，”自由返回轨道“的参数是高度受限的，因此阿波罗的着月点

而对于其他登月器而言，地月转移轨道的选择就可以很多了——只要远地点超越了地月引力平衡点L1，接下来登月器就可以利用月球引力重新加速，滑向月球。

当然，这个轨道忽略了地球和月球的相对运动，所以阿波罗的轨道其实是这样的：

由于阿波罗是分体式设计，虽然有一个登月舱被丢到月球上了，但大部分的设备、燃料，或者说大部分的质量需要环绕月球运行，显然，登月器进入绕月轨道后再丢下登月舱，比在下落过程中分离要更有效一些。因此阿波罗是先进入绕月轨道，然后在分离着陆。

显然，对于其他登月器，尤其是嫦娥这样的只有登月器的，直接落到月球上也没问题。

But.. 你要知道，航天工程师都是恨不得给一个部件加上10个功能的主，辛辛苦苦花了这么多钱把这么多设备发射到了月球，你居然要它们只能在月球表面工作？任何一个登月器都一定要绕月球转上几圈，好充分发挥设备的作用。

接下来，再回到地球轨道上，目前大部分登月器都要绕地球转几圈才进入地月转移轨道，为何不从地球直接发射进入转移轨道呢？

为了提高火箭效率，所有的化学火箭都采取了多节火箭的设计，同时，登月器的不规则形状决定了它留在火箭上时，太阳能电板、天线等突出部位要折叠，外面要套整流罩，因此，当最后一节火箭被抛弃后，登月器需要一定的时间来分离、展开、上电、测试等等工序，而200公里高的轨道上，环绕一圈仅仅需要90分钟——不是不想快点进入转移轨道，而是时间实在来不及啊。

所以，目前为止的登月器轨道，大致遵循同样的规律——先在200公里高度绕地球几圈，然后进入转移轨道，到达月球后再转几圈，着陆。

But.. 嫦娥的轨道和阿波罗还有非常显著的区别

嫦娥的绕地轨道，是逐圈增大的，最后才进入转移轨道，对应的，绕月轨道，是逐圈减小的，最后才进行着陆。而阿波罗要简单的多。其地球轨道上不存在调相轨道，月球轨道上进入300公里高的圆形轨道后只进行一次降低轨道即可完成登月器分离。

一次变轨机动，变化的轨道参数越大，意味着发动机需要更大的推力，需要更长的工作时间，控制的精度更高，失败的可能性更大.....
变化的轨道参数越小，则反之，而两者之间最大的区别在于花费的时间。

对阿波罗，由于装载了人员，在轨道上多停留一点时间，就需要更多的食品和空气，而更重要的是，越过范艾伦辐射带后，空间辐射骤增，对宇航员的影响很大，因此阿波罗的总任务时间是有其上限的，工程师设计时必须优先考虑节约任务时间的方案。而对于无人登月器来说，不值得为了节约时间牺牲可靠性，相反，更多的轨道时间有助于更多的观测任务。

对于绕月轨道，从圆形绕月轨道先进入近月点不超过20公里的椭圆轨道再进行登月的主要目的，是为了能够近距离目视检查预计着陆地点，做登月的最后准备工作，这一点登月器没有区别。

作者：张水
链接：https://www.zhihu.com/question/23438642/answer/26707512

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桂林市17221783937： 飞船从地球到月球的航行会走怎样的轨道路径?为什么如此选择 - ？
乾试佐益： 轨道设计总是要有的,从地球到月球不变轨飞行也是要有轨道的.其一、因为月球是在运动的.其二、航天器进入“月球引力场”以后,至在月球着陆前,是在控制下,对着一个动目标,作减速运动的.没有轨道设计怎麽行?(难道以加速状态,硬碰上去)地-月直飞,理论上能行.现实行不通. 航天器自身携带那么多“能量”,又满足合理的航天器“空/重”比,现实无法实现.变轨,主要是出于在“节能”状态获取高度和速度的目的,同时提供相对月球的位置、姿态的调控时间.它是目前登月的可行技术.

桂林市17221783937： 为什么飞船要向地球绕几圈,才加速向月球飞去? - ？
乾试佐益： 从地球到月球,消耗能量最小的轨道只有一条.嫦娥一号从这条轨道飞向月球可以节省出更多燃料,用于在进行绕月探测工作时的轨道高度维持,从而使工作寿命达到1年甚至更多.在整个嫦娥一号飞行轨道的设计过程中,地月转移轨道的设计...

桂林市17221783937： 宇航员登陆月球时从地球达到月球的飞行轨迹是什么形状的呢?理由?A? ？
乾试佐益： c 目前主要采用椭圆轨道,进入月球引力场,绕到月球背面再绕回来,如果途中出现问题,可借用月球引力场返回地球. 也可以采用抛物线轨道,但如果失败,很难返回地球.

桂林市17221783937： 坐飞船从地球到月球要多长时间? - ？
乾试佐益：[答案] 飞往月球需要多长时间呢?事实上,不同的月球探测器飞抵月球的时间是不一样的.地月距离最近时为363300千米,最远为405500千米,但从地球发射的载人飞船或月球探测器都不会走直线距离,而是按大椭圆轨道飞向月球.人类第一...

桂林市17221783937： 宇宙飞船由地球飞向月球是沿它们的8字型路线飞行的,途中经过某一位置时飞船受地球和月球引力的合力为零, - ？
乾试佐益： 设地球质量为M、月球质量为M',飞船距地球为r、距月球为r',飞船质量为m,飞船受地球和月球引力的合力为零,即:GMm/r^2=GM'm/r'^2 又M=81M' 所以r=9r' 又r+r'=3.8x10^8m 该位置距地月球中心的距离r'=3.8x10^7m 希望能够帮到你.

桂林市17221783937： 为什么从地球飞到月球,首先要在地球上转一圈,之后以椭圆的轨道一直转到月球 - ？
乾试佐益： 物理问题,超越地心引力

桂林市17221783937： 美国登月时阿波罗飞船通过怎样的轨道到达月球的,飞行多长时间,又是怎么返回地球的 - ？
乾试佐益： 计算好,飞过去就行了,到达月球轨道基本就很省能源了,多长时间不知道,返回地球通过动力飞回来就是了 道理就像飞机飞离地面一样,有能源就行了

桂林市17221783937： 月球离地球有多远?坐飞船要多久才到? - ？
乾试佐益： 最近时为363300千米,最远为405500千米,但从地球发射的载人飞船或月球探测器都不会走直线距离,而是按大椭圆轨道飞向月球.人类第一颗月球探测器苏联的“月球-1号”,从地球直接飞往月球并从月球上空近6000千米处飞过,用了不到2天时间;

桂林市17221783937： 宇宙飞船沿地球与月球的中心连线从地球飞到月球,试求宇宙飞船飞到何处,地球对飞船的引力和月球对飞船的引力正好相互抵消.月球的质量为m=7.35*10^... - ？
乾试佐益：[答案] 理论上是不存在的,因为地球和月亮是相对运动的,中间不会存在固定点,而是一个圆,要维持在这个圆上航行,其消耗不会比卫星为地球少.

桂林市17221783937： 飞船在宇宙中怎么边轨?要详细点的细节答案？
乾试佐益： 飞船在太空轨道中正常飞行时,是不需要推动力的.因为太空中没有空气,也就没有阻力,所以它只需依靠惯性就能不断地绕地球运转. 飞船只在下面几种情况下需要推力: 1、发射时.靠火箭的推力由静止状态逐步加速到第一宇宙速度.达到...