霍曼转移轨道

霍曼转移轨道 探月飞行器为什么不垂直飞行直奔月球，而是要绕地球几个圈之后才飞出去？

这是月球推引力和地球一样也有推引力。

不请自来，先正面回答：探月飞行器可以垂直飞行，直奔月球，但是这种方式并不能满足成本和科研需求，所以惨遭淘汰。

一、直飞月球为什么惨遭淘汰？以目前的技术，如果真的要直飞月球，其实也做得到，无非就是成本高一些，多带点儿燃料的问题。

不过，由于是直飞月球，所以落地之前一定要有减速环节，否则落地时很有可能变成一朵蘑菇云或者绚丽的火花。

如果想平稳的登陆月球，飞行器必须提前减速，然而，在每秒几千米的速度下（登月的话，飞行速度要大于第一宇宙速度7.9km/s，小于第二宇宙速度11.2km/s），主动减速的环节需要发动机消耗大量燃料，从而导致额外的成本。

这当然不符合“勤俭节约”的传统美德。

而世界上的科学家们，又恰好都是非常“勤俭节约”的人，他们很喜欢用自己额外的几天计算，来帮国家节省资金，所以，先从“节约”这方面来考虑，垂直飞向月球这种“铺张浪费”的方式第一时间就被淘汰了。

二、对于登月来说，更节约的飞行方式是什么？对于科学家们来说，由于速度超过第一宇宙速度之后，在宇宙之中靠惯性飞行基本不消耗燃料，如果让飞行器按照特殊的轨迹运动，一边飞向月球，一边利用地球引力逐渐减速，当到达月球时速度恰好减速到0。

那岂不是很完美？即使这样会导致飞行器多飞了一段距离，也会多花一点时间，但是相对于多消耗燃料带来了“巨额成本”来说，多花的这点儿时间完全不是事儿。

在这种思维下，经过德国科学家瓦尔特·霍曼的精心计算，一种名为“霍曼转移轨道”，也叫“地月转移轨道”的东西诞生了。

如上图所示，假定飞行器一开始在环绕地球飞行，那么，只需要在图中标着Δv的两个位置，分别依靠火箭对飞行器进行一次加速，那么，飞船就可以完美的像科学家们想的那样，一边飞向月球，一边在地球引力的作用下减速，最后，以非常低的速度抵达月球附近（注意，是附近，后面还有很复杂的登陆过程呢）。

这里只是示意性解说，霍曼专门给了公式，用来确定具体参数，不过由于公式比较枯燥，我把它截了一张图，放在下面，有兴趣的可以了解一下，不太感兴趣的话，可以直接进入下个部分。

另外要说的是，霍曼转移轨道只考虑了从地球环绕轨道飞向月球，现实中，由于需要先将飞行器送上地球环绕轨道，所以要多推进一次。

三、那么，为什么要先绕着地球飞几圈呢？有细心的朋友，应该已经发现了，即使按照霍曼转移轨道来运行，飞行器实际上也不需要环绕地球几圈，只需要在环绕轨道上启动推进器，获取加速即可飞走。

那么，为什么现实中飞行器要环绕地球飞几圈呢？第一个原因，依然是为了贯彻“勤俭节约”的传统美德。

为了降低成本，航天工程师们都是“恨不得给一个仪器安上10个功能”的人，反正飞上太空了，趁着环绕地球的时候让仪器顺便干点儿活不行吗？所以，有可能飞行器环绕地球几圈的过程中，其中有一部分仪器已经在工作了，等到他们执行完自己的任务，飞行器才会继续加速离开地球。

（反正环绕地球飞行的时候，主要依靠惯性，基本是零消耗）不过，这只是比较小的一个原因，也只是比较少的情况才会这样。

第二个原因：时间上来不及。

为了提高火箭效率，所有的化学火箭都采取了多節火箭的设计，同时，飞行器的不规则形状决定了它留在火箭上时，太阳能电板、天线等突出部位要折叠，外面要套整流罩，因此，当最后一节火箭被抛弃后，登月器需要一定的时间来分离、展开、上电、测试等等工序，尤其是测试环节，你总不能等到飞行器到了月球附近了，才发现飞行器有故障亟待修复吧？这些工序随随便便就要花几个小时，而在环绕地球轨道上，环绕地球一圈仅仅需要90分钟，等工序完成，飞行器确实已经围绕地球飞了好几圈。

这个算是主要原因了。

飞行器环绕地球的第三个原因是：现实与理论的差异。

霍曼转移轨道只是一种单纯的轨道转移理论，而现实中，由于一次变轨机动变化的轨道参数越大，对发动机推力的要求就越高，同时也需要更长的工作时间、更高的控制精度，也就意味着会有更大的风险。

所以，为了提高成功率，飞行器可能会把原本霍曼转移轨道里面的两次加速推进，拆分成多次加速推进，这当然又导致飞行器绕着地球多飞了几圈。

这个也是主要原因。

上图是嫦娥一号登月轨道示意图，可以看到嫦娥一号环绕地球飞行了整整48小时之后，才真正加速飞离地球。

在这里，插入一个题外话：基于同样的原因，当抵达月球附近的时候，飞行器所走的轨道依然是霍曼转移轨道，只不过，原本该加速的位置，现在换成了减速，这个过程虽然不需要再次对仪器进行检测，但是却需要对着陆区域的具体环境进行检测，另外，很可能有仪器需要在近月轨道执行任务，所以，飞行器在着陆前也往往需要先环绕月球几圈。

同样如上图所示，嫦娥一号也是这么做的。

所以，基于上述三个原因，最终科学家们综合考虑成本和科研需求之后，普遍选择了让飞行器先环绕地球几圈、再环绕月球几圈的飞行方式，而直飞月球，由于同时不满足成本和科研需求，惨遭淘汰。