用高中物理云返月球

　　一、引言
　　刚刚过去的2021年是全球航天收获丰厚的一年。随着俄罗斯实验舱＂科学号＂与国际空间站的成功对接，美国詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）的成功发射，航天界的三大鸽王仅剩下NASA重返月球计划中的SLS运载火箭。
　　三大鸽王合照，左中右分别为俄科学号实验舱、詹姆斯韦伯望远镜、SLS运载火箭
　　这位鸽王史上最强运载火箭SLS太空发射系统将计划最早于今年3月或4月的发射窗口从佛罗里达太空海岸发射，携带猎户座载人飞船进行无人乘坐的绕月试飞。
　　阿尔忒弥斯计划
　　这次发射将是NASA阿尔忒弥斯计划的第一次任务（Artemis-1），若一切顺利，我们就可以期待在2024年或2025年Artemis-3载人飞船重返月球。下面小编就借这次任务带大家＂云返月球＂。
　　二、探测器如何奔月
　　首先带大家了解下发射月球探测器的两种常见方式：一种是我国＂嫦娥一号＂采用的，先发射到绕地球的近地轨道，经过几次变轨后再进入地月转移轨道；另一种是＂嫦娥五号＂采用的，直接发射进入地月转移轨道。相对来说，现在采用的直接进入地月转移轨道的方式，对发射速度以及发射技术要求更高，但在很大程度上会节省时间。
　　嫦娥一号轨道图
　　在第一种方式中精确变轨是非常重要的，主要包括卫星在轨道哪个位置启动推力器、进行多长时间的喷气，这些量都是根据卫星自身质量及变轨需求等一些因素事先计算得到的，接到变轨要求时，卫星会运行到合适位置启动推力器进行喷气，向后喷增加速度使轨道抬升，向前喷减速使轨道降低。
　　卫星变轨示意图
　　对于变轨问题，我们在高中物理就有接触。有从高轨到低轨和低轨到高轨的不同状态。卫星想要变轨到高轨道（蓝色到绿色）就需要先在低轨道加速，使其沿着椭圆轨道（红色）运行，当行至椭圆轨道的远点时再次加速，就可以沿着高轨道运行了。卫星的着陆和回收则需两次减速，完成从高轨变到低轨的状态。
　　知道这个知识点我们就可以重新看一下＂嫦娥一号＂的轨道示意图了。是不是有种＂云返月球＂的感觉呢？
　　嫦娥一号的变轨示意图
　　不过对于第二种直接进入地月转移轨道的方式来说，就需要更大的初速度。那我们再来谈谈宇宙速度的相关知识，＂第一宇宙速度＂又称＂环绕速度＂，是从地球上发射地球轨道的卫星所需要的最小速度，大约是7.9千米/秒；＂第二宇宙速度＂又称＂逃逸速度＂，是摆脱地球引力束缚的最小速度，大约是11.2千米/秒。由于月球受到地球的引力作用，＂嫦娥奔月＂的路途中还是没有脱离地球引力的。地月转移轨道还是绕着地球的椭圆轨道，只不过是一个长轴非常长的椭圆。
　　三、为什么是＂重返＂月球
　　阿尔忒弥斯（希腊语：Ἄρτεμις、英语：Artemis）是古希腊神话中的狩猎女神，是阿波罗（Apollo）的孪生姐姐。NASA重返月球计划以此命名也是对这次任务有着美好的希望。
　　1969年7月20日，美国的阿波罗计划将宇航员阿姆斯特朗送上了月球，迈出了人类登月的第一步，使美国在冷战中占到了领先位置。但自1972年阿波罗17号宇航员留下最后一个足印，人类便再也未踏足月球。
　　人类在月球上留下脚印
　　直到一些科学家在月球两极发现有丰富的水和冰，这就意味着人类有希望利用冰来获取水、氧气与氢气能源。月球两极将是人类建设月球基地的理想场所，水可以用于航天员的生活，还能分解成氢和氧作为飞船燃料。
　　月球基地设想图
　　在两极建设月球基地，不仅有利于宇航员驻留，还有助于以月球为跳板进行载人火星探测。相比于从地球出发，从月球前往火星，将更加节省成本。
　　美国探月中转站＂深空门户＂艺术概念图
　　与当年的阿波罗计划相比，新的登月计划有了全新的时代意义，更低成本、重复使用成为了新的追求。同时新一轮的月球探测计划也从纯科学探索向科学研究与应用并重转变，月球是地球的＂家门口＂，建立长期的月球基地也将是人类迈向更远深空的关键一步。
　　韩国探路者月球
　　轨道飞行器任务
　　印度月船三号月球车
　　和着陆器
　　俄罗斯月球二十五号
　　着陆器
　　不仅美国，越来越多的国家也计划在今年奔赴月球。韩国的＂探路者＂月球轨道飞行器将搭乘美国＂猎鹰9＂号火箭升空；俄罗斯计划发射＂月球二十五号＂着陆器；印度计划将＂月船三号＂探测器和月球车送上月球；日本iSpace公司也打算发射月球着陆器，并在月球上部署两台月球车......
　　最后总结一个高中物理考点：
　　卫星从低轨变轨到高轨需要点火加速，脱离低轨道，进入椭圆轨道；再次点火加速，进入高轨道。
　　图片来源：相关网络
　　文章参考：
　　1.维基百科
　　2. https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/
　　3. https://www.nasa.gov/specials/artemis/
　　4. https://zhuanlan.zhihu.com/p/159717843
　　5.NASA爱好者公众号：迈向更深远的太空：NASA阿尔忒弥斯首次任务轨迹概述
　　6. 【高中物理小课堂】估算＂嫦娥奔月＂飞多久？探秘＂焦点访谈＂说错的知识点-哔哩哔哩】 https://b23.tv/gBGU6gR
　　美编：蒋青青
　　校对：万鹏