奇异的月球轨道
Dr. Tony Phillips
译自Science@NASA，2006年11月6日
2006年11月6日：1972年4月24日，阿波罗16号任务即将结束，就在重返地球前，三名宇航员进行了最后一项科学实验：将小型“子卫星”PFS-2释放到周期2小时的月球轨道上。
目的是什么？PFS-2将与8个月前阿波罗15号宇航员释放的PFS-1子卫星一起，随着月球绕地球运转，测量月球周围的带电粒子与磁场情况。两颗子卫星的低轨道是形状相似的椭圆，距离月面55至76英里（89至122千米）。
然而，奇怪的事情发生了。
PFS-2轨道的形状和与月球的距离变化得非常快。两个半星期后，卫星最低点下降到了月球表面6英里（10千米）的吓人高度。随着轨道的不断变化，PFS-2又再度升高，直到距离表面30千米看似安全的高度。但这并没有持续下去：子卫星的轨道无情地将它拉回月球。1972年5月29日，就在释放35天后，围绕月球运转425圈的PSF-2撞到了月面上。
艺术家笔下从阿波罗服务舱释放出的子卫星。（更多请点击，图片提供：NASA）
发生了什么？是月球自身导致了子卫星的毁灭。结论是帕萨迪那NASA喷气推进实验室的行星科学家Alex S. Konopliv得出的。他和几名同事分析了PFS-2之后数颗不同的环月卫星的轨道，其中包括1998至1999年间工作的月球勘探者。
Konopliv解释道：“如果月球是个均匀的球体，轨道将是完美的椭圆或圆形。月球没有可以阻尼或加热探测器的大气层，所以你可以飞得很低。月球勘探者在6个月中，环月高度只有20英里（30千米）。”
那么为什么PFS-2初始的椭圆轨道距月面高度在52英里（97千米）到66英里（120千米）之间，却在自杀式撞击中损坏了铝质支架与太阳能电池板呢？
Konopliv继续说道：“从引力的角度上看，月球是非常不均匀的。我的意思不是说上面多山或是从自然地理的角度。我指的是质量。看起来平坦的月海充满岩浆，有着极不寻常的重力反常。也就是说，它们的质量进而其引力场比月壳其他部分明显大。”这些区域被称为质量集中区或质量瘤（Mascon），在朝向地球一面共有5个，都是月海，在地球上可以用双筒望远镜看到。
质量瘤区域的重力反常非常大，可以达到0.5%——这已经可以被宇航员在月面上测量出来。Konopliv说：“如果你在某个月海的边缘，铅垂会偏离垂线1/3度，指向质量瘤区域。”而且，穿着全套宇航服与维生设备的宇航员如果在质量瘤边缘体重50磅，在质量瘤中心的体重就是50磅4盎司。
如月球勘探者测绘出的情况，月球上的质量瘤（图上橙红色区域）使其引力场随处起伏。5个最大的区域都对应填充有岩浆的月“海”，从双筒望远镜中看，它们出现在月球边缘，包括雨海、澄海、湿海和酒海。（图片来源：Konopliv et al, Icarus 150, 1–18, 2001）
Konopliv说：“是月球的质量瘤使得低轨道不稳定。”当上方50或60英里处有卫星飞过时，质量瘤会把卫星向前、向后、向左、向右或向下拉动，拖拉的具体方向和幅度取决于卫星的轨道。如果没有任何星载火箭的定期推动来修正轨道，大多数释放到低轨（高度低于60英里，也就是100千米）上的月球卫星最终将撞击月面。阿波罗16号释放的PSF-2只是个最坏的例子。但哪怕是之前阿波罗15号释放的长寿PFS-1也在不到1年半后在月面扬起尘埃。
那么，对于可能的月球探测来说，这意味着什么？
为低轨绕月卫星选择轨道要谨慎。“起作用的是轨道倾角”，也就是轨道面与月球赤道面的夹角。“实际上有一些‘冻结轨道’，可以让飞船在环月低轨上永远呆下去。满足要求的倾角有4个：27度、50度、76度和86度”，最后一条轨道接近月球极地。寿命相对长的阿波罗15号子卫星PFS-1轨道倾角28度，接近冻结轨道，但可怜的PFS-2因仅仅11度的倾角而遭厄运。
如果出于完成任务的原因而不能选择冻结轨道的倾角，另一种选择是频繁进行轨道调整。月球勘探者为保持60英里（100千米）高的圆形初始轨道，不得不每两个月进行一次轨道变换，而当它距离月面只有20英里（30千米）处运行时，频率要高于每月一次。当它的燃料快用完的时候，科学家知道它的末日快到了，所以他们故意让它在1999年7月30日撞击月面以观测扬起的月球尘埃，撞击点在月球南极附近。在工作一年半后，月球把这架探测器归为己有。
Konopliv总结道：“带上大量燃料。”
译文登载在http://www.astron.sh.cn/yiwen/2006/yw061120-bizarrelunar.htm
