基本介紹
- 中文名：月球軌道交會
- 外文名：Lunar orbit rendezvous
- 方案提出：約翰·C·霍博爾特
優勢,發展歷史,特點,地面測控條件,自主測量手段,交會對接的軌道高度,對接機構,具體方案,
優勢
通過反過來計算可以最好地理解其優勢，飛船中唯一需要推離月球軌道並返回地球的部分就是加隔熱層保護的指令艙，這就決定了完成此任務勤務艙所需要的推進劑量。另外，通過為任務特別設計的登月艙，將阿波羅母船(即指令勤務艙)及其為返回地球家園所需的消耗品和推進劑留在月球軌道上，從而不用攜帶大量多餘的質量降落到月球表面並再次升空。登月艙僅需帶兩名太空人到月面，留下第三名太空人照看指令勤務艙。此外，不需要將帶他們降落月面的發動機、著月裝置以及空儲箱再次帶回月球軌道。太空人只需要利用登月艙的上面部分就能返回母船，可使用更小的發動機和更少的推進劑來完成此任務。由於沒有必要將登月艙的其餘部分帶回地球，可丟在月球上，因此指令勤務艙攜帶的最終推進劑總量就是整個組合體返回月球軌道所需的部分加上進入地球的部分。在飛行的每一個階段，只需加速最小的質量，而其他任何已經完成使命的東西都將隨時丟棄。
節省的累計質量很大，使得月球軌道交會方案在工程和成本方面十分具有吸引力，但這一方案使NASA必須面對一些在太空飛行早期似乎無法實現的工程可行性問題。同地球軌道交會方案一樣，有兩個獨立的太空飛行器，就意味著要學會如何在它們以驚人的速度飛行時讓它們在軌道上交會對接。兩艘飛船必須連線或對接在一起，才能使太空人和貨物從一個太空飛行器轉移到另一個太空飛行器內。這些技術都還沒有在地球軌道上演示過，而且月球軌道交會方案要求這一切在近500 000千米遠的月球附近獨立進行。月球軌道上交會失敗必定導致登月艙上太空人死在月球軌道上。而對接失敗將要求太空人必須穿上航天服並經外太空從一個太空飛行器轉移到另一個太空飛行器。在沒有人知道失重環境會使身穿笨重壓力服的太空人面對何種挑戰的情況下，完成上述工作似乎是極度冒險的。
發展歷史
甘迺迪總統宣布在10年內完成登月的挑戰後，NASA用了一年多的時間討論登月模式問題。在那段時間裡，直接上升式及其龐大的新星火箭方案在很大程度上被否決了，留下馮·布勞恩力爭的地球軌道交會方案和吉爾魯斯推崇的月球軌道交會方案作為競選方案。但直到最後決定之前，仍無法認真展開飛船研究。NASA總部的約瑟夫·舍爾要求雙方就對方的方案提交報告，這是一種管理策略，讓馮·布勞恩認真審視月球軌道交會方案的優點。1962年6月，在馬歇爾航天中心召開的一次大型會議上，NASA採納了霍博特的提議，選擇月球軌道交會方案作為他們奔月的途徑。
飛行模式確定後，就開始宇宙飛船的設計和建造。指令勤務艙由北美航空公司建造。對這些飛船已很好地展開了早期研製，只是它們的功能現在才能準確設計，例如勤務艙上不需要登月級。勤務艙的主要組件已經完成了設計。決定保留推進系統推力的最初設計指標，並在飛行任務規劃中統一考慮它。研製了兩種型號的指令勤務艙。第一種不能支持前往月球的任務，但它可在地球軌道上進行工藝試驗並獲取經驗，直到第二種飛船成熟。第二種飛船將是真正意義上的月球飛船，配上供電的燃料電池、用於對接的硬體、深空通信以及完善的制導導航系統，第二種指令勤務艙就成為阿波羅故事中的主角，它將運送一個類似蜘蛛的登月器前往另一個世界。在某種意義上，指令勤務艙是一個微型行星，為3名太空人在宇宙中生活長達兩星期提供全部必需品，同時又讓他們完成人類多年來夢想的旅程。最後，第二種飛船的設計方案吸取了第一種方案無法完成載人飛行任務的一些致命缺陷的教訓。
特點
目前，僅有阿波羅號飛船實現了月球軌道交會對接，而且在最後幾百米的交會對接控制均是由航天員手動完成的，因此，月球軌道交會對接還沒有實現真正意義上的自動交會對接。同低地球軌道交會對接相比，月球軌道交會對接具有如下特點。
地面測控條件
月球離地球最近的距離約36萬千米，最遠距離約40萬千米，而地球同步衛星軌道高度僅為357 86 km，相比之下，由於月球探測器和地面測控站之間的距離比地球同步衛星和地面測控站之間的距離遠得多，因此對月球探測器的測控精度比對地球軌道太空飛行器的測控精度差。值得說明的是，在近距離導引段之後，不再依賴於地面測控，而是由探測器進行自主軌道確定。
月球探測器測控的有利條件在於單個測控弧段長，對200 km左右軌道高度的月球探測器的測控時間可達1小時，這意味著月球軌道交會對接中最後平移靠攏段的飛行過程可以在地面站的測控監視下進行。
自主測量手段
從太空飛行器自主測量手段來看，月球軌道交會對接的追蹤太空飛行器和目標太空飛行器無法利用全球定位系統GPS或GLONASS的高精度絕對定位和相對定位。一方面，追蹤太空飛行器無法利用GPS或GLONASS的測量信息進行絕對軌道確定，只能依靠軌道外推或利用相對測量信息進行軌道確定，軌道確定精度較差，增加了月球軌道交會對接的難度；另一方面，因為缺少高精度的GPS或GLONASS的相對定位測量，月球軌道交會對接的相對測量依賴於測量精度比GPS稍差的微波雷達和雷射雷達，這也對制導和控制系統提出了更高的要求。
交會對接的軌道高度
月球軌道交會對接時的軌道一般低於低地球軌道交會對接時的軌道。其原因主要有以下兩點。
1)進行月球軌道交會對接的兩個太空飛行器，有一個是從月面起飛，較低的對接軌道有利於節省起飛過程中所需的推進劑。如阿波羅號的上升飛行器從月面發射並進入近月點17 km、遠月點83 km的橢圓軌道，然後進行軌道圓化並抬高至110 km的圓軌道，與指揮服務艙進行對接。
2)月球軌道上不存在大氣，且月球引力常數約為地球引力常數的1/6，這允許從月面起飛的太空飛行器在較低的軌道上穩定運行。而低地球軌道交會對接，一般是由運載火箭將太空飛行器發射至大氣層外的某一軌道高度上，再通過地面導引慢慢消除兩個太空飛行器之間的相位差後進行對接，對接時的軌道高度一般在300 km以上。
對接機構
對接機構是交會對接過程中用於連線追蹤太空飛行器和目標太空飛行器的重要設備。目前常用的對接機構分為兩大類，即撞擊式對接機構和弱撞擊式對接機構。
撞擊式對接機構套用於對接初始條件偏差範圍較大的情況，其結構相對複雜，質量較大，可達上百千克。這種對接機構目前多用於載人太空飛行器的交會對接中，需要同時滿足密封、可形成過渡通道和高可靠性要求，並且對結構連線剛度要求較高。
弱撞擊式對接機構適用於對接初始條件精度較高的情況，初始接觸速度很小，質量較小，可達十幾千克，而且結構簡單，多用於小型無人太空飛行器的交會對接中。
無人月球軌道交會對接任務適宜採用弱撞擊式對接機構，該對接機構質量較小，對從月面起飛的太空飛行器的質量影響較小，可以節省起飛過程中所需的推進劑，但這類對接機構對交會對接制導、導航和控制精度要求更高。
具體方案
上升飛行器攜帶樣品從月面起飛，入軌時的軌道是近月點為15 km的環月橢圓軌道，經過地面的測控和變軌，進入高於追蹤太空飛行器的環月對接圓軌道。然後追蹤太空飛行器接近上升飛行器，到達上升飛行器後下方100 km左右時，相對測量敏感器開始工作並建立穩定的相對導航，追蹤太空飛行器轉入自主交會的制導和控制，不依賴地面測控完成月球軌道交會對接。
月球軌道交會對接的整個過程又可分為月面起飛段、地面導引段、近距離導引段和平移靠攏段，各階段劃分如右圖所示。自主交會階段包括近距離導引段和平移靠攏段，近距離導引段從相對距離100 km左右開始至100 m結束．平移靠攏段從相對距離100 m開始直至完成對接。
從相對測量敏感器的使用上來講，兩太空飛行器相距25 km以上時採用微波雷達的測量信息進行自主相對導航，25 km以內時採用微波雷達為主、雷射雷達為輔的方式進行自主相對導航；平移靠攏段則主要依靠光學成像敏感器進行自主相對導航。地面導引段通過地面測控由上升飛行器完成，不涉及自主導航。
