通往月亮的道路该怎么选？

近日，“阿尔忒弥斯1号”顺利告一段落，虽然准备阶段一波三折，但整个实施过程却是格外的顺利。所谓“道路千万条，安全第一条”，那么飞到月球到底有几条道路呢？想弄明白这个问题，就要从地球到月球拢共分几步说起。

一般来说从地球到月球球拢共分三步：第一步，先挣脱地心引力，成为一颗地球卫星，也就是先进入地球轨道；最后一步，是降落在月球，这之前要先被月球引力捕获，也就是进入月球轨道。第三步可以视为是第一步的逆向过程，类似于飞机的起飞和降落，这两步之间的第二步是从地球飞向月球，飞行的轨迹一头连接地球轨道，一头连接月球轨道，因此也被称为地月转移轨道。

如何选择这条转移轨道有很多学问，很像我们选航班时的纠结，虽然出发地和目的地一样，但用时最短的航班最贵，用时长的航班便宜，有时为了省钱，甚至还要先飞到更远的地方再转机到目的地。下面我们就来盘点下都有哪些地月之间的转移方法。

用时最短的“直接转移”

直接转移是去月球最快速最常用的转移方法，运载器先将要飞向月球的航天器（探测器或者载人飞船）送入近地的停泊轨道，再由航天器自己的主发动机或者上面级火箭送入地月转移轨道，这种轨道看起来就是一条两端与环地和环月轨道连接的陡峭曲线，直来直去，路径很短，因此叫做“直接转移”。由于追求的是路径最短，所以航天器在飞往月球过程中要不断修正飞行方向以及提升飞行速度，这就需要航天器携带很多的燃料，而航天器自带的燃料越多，发射的重量越重，需要的运载器吨位就越大，整个飞向月球的航天任务的费用就越高。为了尽量节省航天器的燃料，霍曼转移轨道是比较适合的无人月球探测器可以使用的经济型直接转移轨道，采用不同的直接转移轨道，飞行时间在两天到五天之间不等。由于月球轨道与地球轨道之间有一定夹角，在中高纬度地区的发射场发射直接转移的航天器更合适，这也是为什么中国的月球探测器大多在西昌发射的原因。

直接转移由于飞行时间短，非常适合载人登月活动，航天员可以尽量缩短暴露在宇宙辐射环境中的时间，而为后续载人登月活动进行验证的初期探月活动也都采用直接转移也很好理解，毕竟不能拿航天员去当小白鼠，要先让无人探测器先把路线跑熟练。所以苏联的“月球号”探测器系列、“探测器”系列中执行月球探测任务的航天器，美国的“徘徊者”系列、“勘探者”系列、“月球轨道器”系列探测器，中国的“嫦娥”系列探测器都用直接转移轨道飞往月球，目前人类唯一成功登月的“阿波罗”系列所有飞船不仅都使用直接转移轨道，也直接催生了最大最重运载火箭——“土星五号”。

经济适用的“间接转移”

把航天器送入越高的地球轨道，需要消耗的能量越多，虽然高轨道的轨道速度很低，但轨道能量却很高，从这里再飞向月球会节省很多航天器自己携带的燃料。

当然，如果专门把探月航天器送到高轨道会有点得不偿失，但是如果利用高轨道发射时候的“剩余运力”来搭载发射就显得“经济适用性”十足。欧空局对这种搭便车式的“间接转移”十分推崇，并且进行了大量的研究以及尝试。地球同步轨道的高度是36万公里，而地月之间的平均距离是38万公里，从这里飞往月球看起来十分合适。

但是由于地球同步轨道平面与月球轨道平面有个很大的夹角，航天器在这两个平面间转移要花费惊人的燃料来改变飞行轨迹，其经济性相比于直接转移并不突出，因此欧空局的科学家们又想出了另外一种间接转移方法，那就是飞到更高的地球轨道去，高到轨道远地点到达地日拉格朗日L1点那么远，那里距离地球足足有100万公里，比地月之间最远距离的两倍还多，航天器在那里完成从地球轨道平面向月球轨道平面的转移，再转换到月球高椭圆轨道上，会节省大量燃料，这个过程很像要爬一座很难爬的不太高的山，要先坐缆车上到一座容易爬的更高的山的山腰，之后靠自己爬到山顶，再用降落伞从更高的山的山顶落到那座不太高的山上。

2003年9月27日，欧空局的“智慧一号”月球探测器搭载“阿里亚娜5”运载火箭发射升空，这颗月球探测器身材很娇小，横截面只有1平米，携带的燃料竟然只有80公斤，这种燃料不是传统的碳氢火箭燃料而是液化氙。搭车到达地球同步轨道之后，“智慧一号”开始利用自己的离子推进器沿着越来越扁的椭圆轨道，绕着地球一圈圈的缓慢加速，经过1年多的时间，终于在2004年11月11日成功穿过拉格朗日L1点，开始向月球轨道“下降”，并最终在四天后成功到达月球的近月轨道，开始沿极地轨道对月球进行遥感测量。在向月球飞行的十几个月时间里，“智慧一号”仅仅消耗了60公斤氙燃料，完全验证了利用地球同步轨道进行地月“间接转移”的可行性与充分的经济性。

神奇的“弱平衡边界转移”

在上面的“间接转移”基础上，如果想进一步压榨经济性，就要把从转移轨道向月球轨道转移消耗的那些用来变轨的能量也省掉。大家都知道，能量只能转换不能消失，那这些节省的能量从哪里来呢？要利用一点黑暗力量，那就是在“弱平衡边界”，从太阳引力或者月球引力那里借一点点力。这个“弱平衡边界”是指在“地-日”或者“地-月”引力相互平衡的区域，一个很微小的扰动就可以改变物体的运行轨迹，这个区域也常备被做“混沌轨道”区域，很容易产生轨道变迁。既然之前“间接转移”轨道的方案已经飞到了拉格朗日点，那不如就再利用一下太阳或者月球的力量，利用引力完成向月球轨道的变迁，再节省一些从远地点向月球轨道转移的燃料，这就是听起来颇有些玄幻的“弱平衡边界”转移。事实上这种飞向月球的方式日本在1990年发射“飞天号”月球探测器时就成功使用过了，这个体型比“智慧一号”更加娇小的探测器，经过半年多的飞行，不仅成功进行月球极轨轨道，还在月球轨道上释放了一个叫做“羽衣”的子卫星，足见这种地月转移轨道有多节省燃料。

回到本篇开头的载人登月任务，为了缩短路上的时间，以减少很多不确定性对宇航员的影响，这类型的任务往往使用直接转移轨道最为安全和方便。