全月面覆盖轨道（Full Lunar Surface Coverage Orbit）
本文作者：天疆说
定义
全月面覆盖轨道（Full Lunar Surface Coverage Orbit）是能够实现月球全球表面覆盖的轨道设计，是未来月球探测的关键需求。利用三体系统的不变流形可从平衡点轨道实现弹道着陆，但自然流形覆盖区域有限。不同振幅的周期轨道对月面覆盖性不同：小振幅轨道对月面整体覆盖性较好，大振幅轨道对月球极地覆盖较好。NASA 月球门户计划以 NRHO 为参考轨道。
核心要素
不变流形与弹道着陆
利用平衡点附近的周期轨道，可通过不变流形实现月面覆盖：
- 稳定流形着陆：从 Halo 轨道的稳定流形出发，航天器可沿流形自然滑向月球表面，实现弹道着陆
- 着陆区域限制：自然不变流形的着陆区域受限于流形在月面上的投影范围，无法覆盖整个月面
- 机动扩展覆盖：在流形路径上施加适当的机动脉冲，可将着陆区域扩展至流形自然范围之外
周期轨道振幅与覆盖性关系
不同振幅的周期轨道对月面覆盖具有不同特性：
- 小振幅轨道：Halo 或 Lissajous 轨道振幅较小时，轨道靠近平动点，对月面整体覆盖性较好，着陆点分布较为均匀
- 大振幅轨道：振幅增大后，轨道向月球极地区域延伸，对月球极地的覆盖能力增强
- 覆盖优化：任务设计中需根据目标着陆区域选择合适的轨道振幅，平衡整体覆盖与重点区域覆盖
覆盖性评估方法
评估轨道方案的月面覆盖能力需要以下方法：
- 着陆点映射：将不变流形在月面上的投影映射为着陆可达区域
- 覆盖率计算：统计着陆区域占月球全球表面积的百分比
- 几何分析：考虑着陆时的光照条件、通信可见性和地形安全性
- 多轨道组合：单一轨道难以覆盖全月面，可通过多条轨道组合实现全覆盖
NRHO 与月球门户
NASA 月球门户（Gateway）空间站选择 NRHO 作为参考轨道，与全月面覆盖需求密切相关：
- NRHO 特性：近直线晕轨道近月点靠近月球南极，远月点位于深空，周期约 7 天
- 极地覆盖优势：NRHO 的近月点长期靠近月球南极，为南极探测任务提供有利的着陆窗口
- 通信中继：NRHO 上的门户空间站可为月面探测器提供通信中继服务
- 任务调度：利用 NRHO 的周期性特征，可规划月面任务的发射和返回窗口
应用价值
全月面覆盖轨道在月球探测中具有核心战略价值：
- 月球基地选址：为未来月球基地选址提供全面的轨道可达性分析
- 资源勘探：支撑月球全球资源勘探的轨道方案设计
- 科学探测：实现月球全球表面的科学探测覆盖
- 国际月球科研站：为中俄国际月球科研站等大型计划提供轨道设计支撑
相关概念
参考文献
- Qiao C, Long X, Yang L, et al. Orbital parameter characterization and objects cataloging for Earth-Moon collinear libration points[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2025.
- Davis D C, Bhatt S A, Howell K C, et al. Multi-body orbit transfers for lunar south pole access[J]. Advances in the Astronautical Sciences, 2015.
- 乔栋等. 地月平动点空间轨道动力学与控制[M]. 北京: 科学出版社, 2023.