登月释疑：交会对接时间与轨道问题

阿波罗11号交会对接只花了3小时40分，而现在的空间站对接最快也要3小时30分，嫦娥五号对接更是用了几十小时。很多人通过这么一对比，就认为阿波罗登月造假，难道1969年美国的对接技术就这么先进了？

其实这是不了解绕地与绕月、载人与无人的差异，通过简单类比得出的一个错误认知。

首先需要说明的是，在登月之前美国已经掌握了交会对接技术。

1966年3月16日，美国的阿姆斯特朗和斯科特乘坐“双子星”8号飞船，和由阿金纳火箭末级改装的对接目标，首次实现了交会对接，最后的近距离交会对接由手动控制完成，这些都有录像和照片。

执行交会对接的宇航员正是后来登月的阿姆斯特朗，因为双子星计划本身就是为登月服务的。

紧接着1967年10月30日，苏联发射了“宇宙”188号飞船与“宇宙”186号飞船实现了首次无人自动交会对接。两船对接飞行了3.5小时，飞船上电视摄像机拍摄了对接过程图像。

阿波罗9号进行了环地轨道登月舱与指令舱交会对接实验，阿波罗10号进行了环月轨道的交会对接实验。

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先简单说说空间站的对接方式。

火箭把飞船发射到轨道之后，飞船与空间站处于同一平面，交会对接需要解决两个目标之间的相位差与高度差问题。

一般是先通过一次加速，飞船进入远地点与空间站轨道高度一致的椭圆轨道，飞船到达远地点后再通过一次加速变轨到与空间站一样的圆轨道，这样就解决了高度差。

为了解决相位差，飞船减速进入远地点与空间站高度一致的椭圆轨道，这样飞船绕地球一圈的时间要短一些，就可以缩小相位差距，经过几次这样的操作直到追上空间站。

上面这种方法叫稳定轨道追逐法。

还有一种共椭圆轨道法，飞船会先进入一个比空间站高度略低的轨道，轨道半径越小角速度越大，这样飞船可以慢慢追逐空间站。

而且因为国际空间站在51.6度角400公里轨道上，要等待发射基地与空间站轨道共面时才发射，这样会导致每次任务一开始的相位差也不一样。

俄罗斯用3个多小时完成空间站的对接是最快的一次。因为飞船从拜科努尔发射的时候，空间站位于发射点上方，轨道调整也不会等到绕行一周，而是在中途就进行变轨，没有做任何多余的飞行，在绕地球两圈后就到达了适合的对接位置，但这种方法对轨道计算的要求很高。

总而言之，不同方法不同任务所需的时间是不一样的。空间站轨道与阿波罗轨道也不同，空间站对接在一般情况下本就要花更多时间，不能简单对比。

再来解释和嫦娥五号的对接时间差别。

鉴于坚信登月造假的人阅读能力与数学物理水平很低，所以我先直接放结论——载人与无人探月的轨道设计存在诸多差别，不能简单类比¹。

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接下来我再跟其他人详细解释为什么会有这种差别。

阿波罗计划有两种环月轨道交会对接方法，一是共椭圆交会对接法，二是直接交会对接法。两种方法的机理类似：追踪航天器完成所有的机动，该航天器从月面发射进入一条较低的追踪轨道，在合适的时间，该航天器点火将轨道平面修正到目标航天器的轨道平面，然后拾高轨道，通过拦截目标航天器的方式完成对接²。阿波罗9～12采用第一种方法，14～17采用第二种方法。

共椭圆交会对接策略²

共椭圆交会对接策略需要3.5小时，几乎两圈。

如图所示，上升段由多次小机动分开的几段惯性飞行段组成。每一次机动所产生的变轨和导航误差可以利用地面的跟踪数据在下一次机动时被修正，由主引导系统或中止飞行制导系统引导的加速机动确保机动后轨道的近月点高度达到18km。在上升发动机关机后，登月舱惯性飞行，通过一次同心顺序点火机动(CSI)将远月点抬高到合适的高度为下次变轨作备。常数增量高度变轨(CDH)将登月舱转移到一条椭圆轨道上，同心顺序点火机动中高度的选择基于登月舱相对命令服务舱的相位。同心顺序点火机动和常数增量高度机动都是水平的共面机动。在标称发射轨道的情况下，同心轨道的高度为120km。通过足够时间的惯性飞行来调整相位，登月舱弹道末段启动(TPI)。弹道末段启动发生在服务命令舱进入测控范围，登月舱进入一条140度上升转移轨道靠近服务命令舱。在转移进入服务命令舱轨道的过程中可能需要进行中途修正(MCC)。最后，实施末段修正或刹车机动(TPF)。在惯性空间看，这次机动使登月舱加速，使它的速度达到服务命令舱的轨道速度。

共椭圆交会对接的过程如下：

0:00-从月面发射进入17km×83km轨道。

1:00-Coelliptic Sequence Initiation(CSI),点火进入83km圆轨道。

1:30-改变轨道面来匹配CSM的轨道面（如果需要的话)。

2:00-Constant Delta Height(CDH),点火进入一条与CSM的高度差保持为常数28km的轨道。

2:40-Terminal Phase Initiation(TPI),拦截CSM的轨道。

2:55～3:10-TPI中途修正（如果需要的话）。

3:25-Terminal Phase Final(TPF),手动制动和对接。

直接交汇对接策略²

通过减少两次机动(CSI和CDH)，在进入轨道后直接进入TPI，两个航天器的交会对接可以很快完成。直接交会方法将时间缩短到2小时以内，不到一圈。

如图所示，在这种情况下，当指令舱刚从地平线上升起时发射登月舱，登月舱熄火时服务命令舱正处于霍曼转移椭圆轨道的远月点以实现拦截。在地面的帮助下，使用交会对接雷达进行一次中途修正，接着自动刹车进行交会对接。交会对接机动在远月点并且必须在地面跟踪和测控范围内进行。

直接交会对接的过程如下：

0:00-从月面发射，进入17km×83km轨道。

0:40-Terminal Phase Initiation(TPI)，点火拦截CSM的轨道。

0:55～1:10-TPI中途修正（如果需要的话)。

1:25-Terminal Phase Final (TPF)，手动制动和对接。

看到了吗，阿波罗11号用时3个多小时是完全合理的，不这样反而不合理了。可曾有任何专业人士出来说阿波罗的交会对接时间太短不正常吗？某些人简单对比一下对接时间就能发现造假？

为什么嫦娥五号交会对接要花那么长时间？

因为嫦娥作为无人探月，轨道设计不一样。

嫦娥5号任务中，上升器起飞后要在45小时内经过4次远程导引后到达交班点才与200km轨道的轨道器进行交会对接³，大部分时间都用来调整轨道了。

这种远程导引段的方案叫4脉冲轨道方案⁴，因为月面发射窗口较宽，能够实现能量最优轨道调整，且变轨前定轨精度较高，所以嫦娥5号选择了这种方案。

看到这儿，估计有人又要跑出来说没有强大的计算机不行。哈哈，又是一个想当然的说法。

还是先上结论——根本无需强大的计算机，人为操控比自动对接更高效。

用人控来完成太空交会与对接的优点是：可以提高交会与对接的成功率；能及时修正交会系统中的错误和排除故障；节省燃料和时间。而自控交会与对接的优点是：不需要复杂的生命保障系统，可靠性高，无需考虑人员的安全和救生问题⁵，这是航天界的共识。

阿波罗在对接的过程中，有些时段都可以直接目视到对接目标。一些雷达想要实现的功能，宇航员的眼睛就能做到，机器控制并不比人强，想想自动驾驶技术经过这么多年发展才到什么水平？

看了上面的交会对接过程就知道，阿波罗11号采用的共椭圆法可以给宇航员组充足的时间监视他们的进展，完成雷达和光学设备的定位，获取地面更新数据，根据地面数据进行修正误差，验证系统性能。

阿波罗交会对接的关键，根本就不在于什么分秒不差的控制，而在于对弹道末端进行标准化设计，给出特定点的航天器相对位置、靠近速度和光照条件，这种标准化还进一步简化了交会对接的关键机动过程。而且这些都有数学模型、仿真、双子星计划实践作为基础，而不是像某些人把拍脑袋一想的东西作为基础。

我知道我写这么多，有些人肯定看不懂，然后他们就要说我这是故作高深写一堆似是而非的东西来迷惑大众。哈哈，面对这些人我也很无奈，反正他们只相信他拍脑袋一想出来的那些东西是对的。不过，等以后中国成功载人登月了，到时候看到中国载人登月交会对接的时间也只有几个小时，不知道这些人又会怎么想呢？

我真心建议那些看了两篇文章就跟风认为阿波罗造假的人，对知识还是要有敬畏之心，科学话题允许质疑，但也是很有门槛的。以前大部分人对自己的知识水平还是心中有数，所以不会在专业问题上轻易发言。现在有些蠢人却发现可以不用承认自己的愚蠢，还可以在网上相互捧脚获得群体认同，互联网真是个好东西。

作者：做你的秒钟（登月释疑(二) 交会对接时间与轨道问题 - 知乎 (zhihu.com)）

参考资料：

[1]白玉铸.载人登月轨道设计相关问题研究[D].国防科学技术大学:2010.

[2]郑爱武.阿波罗计划中的对接系统和交会对接策略[C]北京理工大学.中国宇航学会深空探测技术专业委员会第六届学术年会暨863计划“深空探测与空间实验技术”重大项目学术研讨会论文集.[出版者不详],2009:106-111.

[3]李培佳,黄勇,樊敏,杨鹏,刘思语.嫦娥五号探测器交会对接段定轨精度研究[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2021,51(11):66-77.

[4]汪中生,孟占峰,高珊,彭兢.嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践[J].宇航学报,2021,42(08):939-952.

[5]http://www.cmse.gov.cn/kpjy/htzs/mytl/201105/t20110526_37273.html