科學家發現通往月球的「經濟艙」路線，燃料消耗至少節省 58.80 m/s

前往月球不只是抵達，更要省燃料

將太空船送上月球，不僅僅是「到得了」這件事，更關鍵的是如何用最少的燃料達成任務。在太空任務中，即使是微小的速度變化量（ΔV）節省，都能轉化為巨大的成本降低或額外的酬載能力。

一篇發表於《Astrodynamics》期刊的最新研究指出，一條更經濟的月球航線可能早已存在——它利用的是重力場本身的隱藏結構。

研究團隊發現了一條地月轉移軌道，相較於先前已知的最佳路徑，至少可以節省 58.80 m/s 的燃料消耗。

「在太空旅行中，每一公尺每秒的速度變化量，都等同於大量的燃料消耗，」該研究第一作者、葡萄牙科因布拉大學（University of Coimbra）研究員 Allan Kardec de Almeida Júnior 表示。

有趣的是，這條最省燃料的路線並不是最直接的。太空船會先擺盪到更靠近月球的位置，然後進入一條環繞 L1 拉格朗日點（地球與月球引力相互平衡的特殊區域）的重力通道。

模擬 3,000 萬條可能航線

地月旅行的挑戰不在於物理原理的缺乏，而在於可能軌道的數量過於龐大。地球與月球之間的重力場構成了一個複雜的動力學系統，初始條件的微小變化就會產生截然不同的結果。

為了克服這個問題，研究團隊採用了一套稱為「泛函連接理論」（Theory of Functional Connections, TFC）的數學框架。TFC 不需以暴力破解方式求解完整的最佳化問題，而是將關鍵物理約束條件（例如從地球出發時的切線推力）直接嵌入數學公式中，藉此降低搜索問題的複雜度。

太空船的運動以「圓型限制性三體問題」建模，僅考慮地球、月球和一架無質量太空船。在此框架下，研究人員聚焦於系統中的一個關鍵區域——L1 拉格朗日點。

在該區域周圍，太空船可以沿著被稱為 Lyapunov 軌道的環形路徑運動。這些軌道本身並不穩定，太空船最終會漂離，但它們周圍存在著由重力自然形成的進入和離開通道。

這些通道被稱為「穩定流形」與「不穩定流形」，就像隱形的太空高速公路。太空船一旦進入，就能在幾乎不消耗燃料的情況下長距離移動，因為重力本身就在引導運動方向。

「太空船隨後透過系統的自然動力學，無需額外成本即可被運送至 Lyapunov 軌道，」研究團隊表示。

利用 TFC 方法，研究人員模擬了約 3,000 萬條可能的重力通道路線——遠超過先前研究的約 28 萬條——從而找到了一條效率驚人的地月轉移軌道。

任務分為兩段相連的航程

第一段：地球至 L1 區域——太空船從 167 公里高的地球軌道出發，進入通往 L1 的穩定流形。

第二段：L1 至月球——太空船沿不穩定流形離開，轉入月球軌道。

這項大規模搜索揭示了一個出人意料的規律：最省燃料的軌道，並非從面向地球的方向進入流形，而是從相反方向——也就是先更靠近月球之後再進入。

最令人意外的發現之一是，最經濟的路徑涉及在進入 L1 轉移通道之前，先進行一次近月飛越（close lunar flyby）。這次飛越就像重力助推，減少了太空船在關鍵時刻對引擎推力的需求。

「從地球軌道設計轉移至穩定流形的右分支，竟然比使用左分支更具成本效益，這有些違反直覺，因為右分支的距離更遠，」研究團隊指出。

該研究發現的最佳地球至 L1 航段，總速度變化量為 3,342.96 m/s，透過兩次精確計時的引擎點火完成——一次將太空船推離地球，另一次將它導入月球附近的重力通道。

此後，重力承擔了大部分工作。自然的重力流幫助太空船以最少燃料移動。從那裡開始，太空船甚至可以暫時「停泊」在 L1 區域附近。這個中繼軌道在受控意義上是動態穩定的，可以作為地球與月球目的地之間的中轉站。

一次節省一點燃料，效益卻很大

當完整旅程合併計算時——從地球出發，經 L1 轉移到月球軌道插入——總成本約為 3,991.60 m/s，歷時約 32 天。雖然這不是最快的路線，但它提供了靈活中轉、潛在的通訊持續性，以及模組化任務設計等操作優勢。

更重要的是，研究人員還發現，L1 至月球的航段已非常接近其理論最低燃料成本，而地球至 L1 的航段才是最具節省空間的部分。整體而言，該方法相較於已知最佳的類似軌道，至少節省了 58.80 m/s。

以實際意義來看，這大約相當於總任務速度變化量的 1–2% 降低——類似於長途公路旅行中每一百公升油省下幾公升。

這個差異看似不大，但在太空任務中，每一公斤送入軌道的物質都極為昂貴，即使微小的節省也能轉化為額外的酬載能力、更低的發射成本或更大的操作彈性。

不過，該模型也有其侷限性。它忽略了太陽和其他天體的引力影響，因此結果與特定的發射日期無關。在現實中，納入太陽引力可能會揭示更經濟的路徑，但僅在天體排列有利的特定時間窗口內才成立。

目前，研究團隊認為這項研究最重要的貢獻不僅僅是這條月球路線本身，更在於背後的計算方法——一套能夠掃描數千萬條可能軌道並找出最佳路徑的系統。

該研究已發表於《Astrodynamics》期刊。

---

原文來源： 查看原文