3月25日凌晨，承担我国探月四期任务的鹊桥二号中继星以及两颗天都试验星相继完成近月制动，顺利进入环月轨道。后续，它们都将进一步调整环月轨道的高度和倾角，进入最终的使命任务轨道，为开展具体任务做好准备。那么航天器到达目标天体之前，为什么要进行制动减速？制动减速需要满足哪些要求？航天器制动后实施变轨又有哪些注意事项呢？

一切都取决于速度

“阿波罗13号”任务指令长吉姆·洛威尔曾说过：“我们所能做的就是提前向飞船输送全部指令，然后把一切交给牛顿运动定律。”可以说，牛顿运动定律比较合理地揭示了航天器制动变轨背后的奥秘。

航天器从地球出发，飞往其他星球，从万有引力定律的角度来看，它的旅程就是“挣脱”地球引力束缚、飞向目标星球，直到最终被目标星球引力“捕获”的过程。

鹊桥二号中继星实施近月制动变轨示意图

那么航天器凭什么“战胜”地球引力呢？人类航天探索证明，在这方面最强大的“工具”是速度。航天器环绕地球飞行的速度只需达到一个足够大的数值，就可以长期稳定地保持绕地运动，不必再担心被地球引力“拉”回地面。也就是说，此刻航天器进行圆周运动所产生的离心力与地球引力实现了平衡。这个速度被称作第一宇宙速度，也叫环绕速度。它的值越大，环绕半径越大，离心力就越大。

当航天器环绕地球飞行速度达到一定的数值时，地球引力便再也不能束缚它了，航天器就会离开地球“怀抱”，飞向更广阔的太空。这个速度被称为逃逸速度，也叫第二宇宙速度。虽然“牛顿大炮”思想实验很早就得出了该论断，但最早计算出逃逸速度的是300年后的“现代火箭之父”、俄国中学教师齐奥尔科夫斯基。

那么该如何理解航天器被目标星球引力“捕获”呢？其实，这个过程可以被认为是航天器逃逸出该星球引力场的反向过程，需满足两个基本要求。

其一，航天器要飞到目标星球引力的作用范围内。

其二，航天器的飞行速度必须小于对目标星球的逃逸速度，我们不妨称其为捕获速度。目标天体的质量越大，相应的捕获速度就越大，这也是光逃不出黑洞“魔掌”的原因——黑洞的捕获/吞噬速度要比光速更快。

在探月任务中，月球的质量和体格都要比地球小得多，导致其捕获速度远远低于航天器对地球的逃逸速度。那么航天器能不能轻而易举地减速并被月球“捕获”呢？

答案是否定的。在从地球飞向月球的过程中，航天器的速度会在逃逸速度的基础上“自然”提升，因为在航天器逐渐逼近月球时，月球引力会作用在航天器上，使其进一步加速，指望航天器“自然”减速是行不通的。所以，探月航天器在关键节点必须实施近月制动，“狠狠地踩下刹车”，让自己在合适的位置恰好达到合适的速度，以便被月球引力场捕获，这样才能开展下一阶段的变轨任务。

航天器从“逃离”地球到被月球“捕获”的过程，听起来好像很简单，但实际上由于月球绕着地球一刻不停地旋转着，科研人员不可能为航天器简单地规划一条直线航迹。其实，与其说是航天器飞往月球，不如说是它向地球之外的某处飞去，并在那里与月球会合。

天都试验星实施近月制动、轨道调整示意图

那么科研人员应该如何规划探月航天器复杂的轨迹呢？万幸的是，月球等天体同样遵循以数学语言表述的牛顿运动定律等物理学规律，为航天器任务规划创造了前提。

简单地说，地球、月球和航天器等质量、体格相差很大的物体，最终都可以被抽象地视为“没有体积的点”，并且用一系列数学公式来表达它们在任何时间所处的位置和运动状态。虽然牛顿经典力学不能绝对完美地描述天体运行，但科研人员可以借助大量观测积累的天文学数据对其进行修正，用数学解决规划探月航线等复杂问题，把数学公式转变成可执行的程序指令，传送给航天器。

毫无疑问，在广阔的地月空间中，航天器飞往月球的轨迹不是唯一的，科研人员有必要根据具体任务特点来选取相对合理可行的综合方案参数，比如用时最短路线、最经济路线等。

值得注意的是，科研人员确定航天器实施近月制动的时机，必须十分谨慎：减速太晚，航天器速度下降不够，就会近距离掠过月球，无法进入环月球轨道；减速太早，航天器速度过低，同样无法环月飞行，很可能会直接坠落到月球表面，硬着陆造成任务失败。

确定制动时机后，由计算机或航天员具体负责执行。在实际运作过程中，航天器的加速和减速主要是通过火箭发动机点火工作来实现的。

以自动化、信息化发展尚不成熟的“阿波罗时代”为例，将飞船加速到逃逸速度后，火箭第三级发动机关机；随后，飞船与火箭分离，仅靠惯性向前飞行，航天员及时操作飞船转向，重点是使主发动机的喷管对准前方；接下来，在整个滑行飞行阶段，航天员必须数次进行恒星观测，确定自身位置，并调整飞行轨迹，以便准确地与月球会合；即将抵达月球时，航天员会两次开启、关闭发动机，实施制动减速，逐级把飞船速度降至月球引力捕获速度，最终在月球背面成功实现了飞行轨迹被月球引力“拉弯”，荣幸地成为月球的“俘虏”。

变轨注重经济适用

航天器被月球引力捕获，仅是探月之旅正式阶段的开始。这时候，航天器一般会被拉进一条以月球为焦点的大椭圆轨道上，而该轨道与航天器最终需要进入的轨道还相差甚远，甚至有可能处于不同的轨道平面上。所以，航天器接下来要做的是降低轨道高度、及时变轨。

印度月船3号探测器的制动变轨过程复杂

规划相关飞行流程除了遵循牛顿运动定律外，科研人员往往优先考虑经济性原则，毕竟探月航天器携带燃料有限，又在之前的“大脚刹车”中消耗了不少。

为了尽量延长工作时间，在进入任务轨道前，航天器必须想方设法节省燃料，所以一般会遵循近月点制动、远月点变轨的原则：在大椭圆轨道的近月点，航天器的飞行速度最快，及时制动减速，可以使大椭圆轨道尽快变成小椭圆轨道；在大椭圆轨道的远月点，月球引力最小，航天器在那里变轨所需克服的反向作用力最小。

当然，这些变轨方案在航天器出发前就由科研人员规划好了，同样需要经过严谨计算和认真复核，避免类似俄罗斯月球25号探测器那样的纰漏——在变轨过程中，因结束制动太晚，航天器坠毁在月球表面上。

除了规划好标准的飞行方案外，科研人员还要事先预想很多特殊情况，并做好应对的预案，一旦航天器遭遇突发险情，必须立即处置。虽然月球是距离地球最近的天体，两者平均相距仍超过38万公里，航天器的无线电故障信号发出，再从地球收到反馈，至少需要消耗数秒的时间。而在没有大气层的月面上空、在引力和辐射情况复杂的地月空间中，制动变轨过程中的短暂失控足以令航天器的结局无法挽回。所以，科研人员必须尽可能周全地推演各种情况，确保合理的航天器配置冗余度，提前消除隐患，尽量避免低级失误，还要寄希望于人工智能和自动化等技术进步，帮助航天器自主应对意外情况。

随着航天探索瞄准更遥远的深空，在地月空间内非常适用的牛顿运动定律往往不足以支持规划航天器制动变轨方案了。到时候，科研人员需要借助更强大的计算机和软件，引入广义相对论辅助修正，使用新的数学语言重新表述……总之，数学基础和先进技术将齐心协力助推航天器探索更多宇宙奥秘。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》

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