月球轨道新模式
Trudy E. Bell
译自Science@NASA，2006年11月30日
2006年11月30日：现在是2015年。你是设计月球南极Shackleton环形山基地的NASA首席工程师。你同时在设计通信系统，使宇航员能与地面进行持续的无线电通讯。
但你知道，直接的传输是不能做到的——不是每时每刻都能做到。从Shackleton环形山望去，每个月地球有2-3星期在地平线以下（具体时间取决于基地的位置）。这会阻栏沿视线方向传播的所有无线电信号。
艺术家Pat Rawling笔下的有人月面基地。（更多请点击，图片提供：NASA）
解决方法似乎是很明确的。只要发射一颗轨道足够高的卫星，让它沿几乎通过月球两极的圆轨道运动就可以了。更好的办法是在同一轨道上发射3颗互相距离120度的卫星。这样总能有两颗卫星在地平线之上，来传送来往于地月之间的讯息。
这里只有一个问题。
NASA喷气推进实验室的高级引导、导航和控制工程师Todd A. Ely说：“环绕月球的正圆形高轨道是不稳定的。将卫星发射至高度约为750英里（1200千米）的圆形绕月轨道之后，它要么会撞到月球表面上，要么会沿双曲线轨道飞离月球。”取决于轨道的细节，这样的情况很快就会发生：在10天之内。
为什么？这与地球有关。距离月球只有240000英里（400000千米）的地球引力时刻在拖曳着环月卫星。对于高度超过750英里的环月轨道来说，地球的引力实际上已经强到了可以把航天器搅出局的地步了。
地球轨道上的卫星并不受月球类似作用的影响。月球质量只有地球的1/80，这只比1%稍大。相对来说，月球引力是无足轻重的。实际上，对于任何地球卫星来说，太阳的引力作用比任何月球的影响都要强上160倍。
然而，任何轨道高度高于750英里的月球卫星都会处于地月之间的天体拔河赛中。实际上，地球引力可以让轨道从圆形变为拉长的椭圆。
Ely说，稳定的月球轨道在倾角39.6度时确实存在，但它们在赤道附近停留的时间太长，因此“对于覆盖极点来说，这是很糟糕的轨道”。
NASA希望探索月球极地的原因有很多，至少那里深深的环形山中可能存在着冰，可以供宇航员采集融化后饮用，或是分解曾氢氧元素充作火箭燃料及其他用途。越极轨道的不稳定为探索活动带来了实际问题。
现在，好消息来了。Ely和几名同事发现了新一族的“冻结”或称稳定绕月高轨道。它们如下图所示，与月球赤道面之间有大倾角，可以高高出现在月球两极地平线之上，而且，令人惊讶的是，它们都是很扁的椭圆。
图片提供：NASA
Ely说：“为更好地覆盖极区，你需要偏心率0.6左右的椭圆，这样的轨道是非常扁的。”偏心率为0的情况是正圆，这样轨道上的卫星以恒定速度环绕中心的主天体（也就是月球）运动。当地球靠近时，这种运动就不可能了：如Ely所说，“倾斜的圆轨道类似空白的画布，地球很快就可以在上面表现出自己的意图”。
比较来看，偏心率0.6的椭圆有除掉尖头的美式橄榄球那样扁，而月球处在椭圆的焦点上。Ely解释说：“椭圆能有效地‘锁定’卫星的行动，使地球难以改变它。”它们的稳定性如何呢？Ely及其同事计算出，某条大倾角的环月高轨可以在至少100年的时间内保持稳定。实际上，Ely推测，这些轨道的稳定期是无限长的。
对于月球通信和导航来说，Ely推荐在倾角51度的椭圆轨道上安排3颗相距120度的卫星。每颗卫星都可以飞速掠过距离月球北极只有450英里（700千米）的近月点（也就是距离月面最近的一点），但每颗都会在月球南极地平线之上5000英里（8000千米）耗去12小时轨道周期中的8小时。这样，3颗卫星中的两颗随时都会在南极月面基地无线电信号的可及之处。
大倾角大偏心率轨道是环月通信卫星最便宜最稳定的选择吗？Ely宣称，对于熟悉圆型赤道轨道的地球卫星工程师来说，“这是个新模式”。
编者注：这篇文章讲述的是如何让卫星保持在绕月的高轨上。低轨道卫星也有问题存在。月球“质量瘤”会向它们施力，让它们撞到月面上。地球会影响高轨，质量瘤则影响低轨。详见Science@NASA的文章《奇异的月球轨道》。
译文登载在http://www.astron.sh.cn/yiwen/2006/yw061208-lunarorbit.htm
