美东时间2022年5月31日，搭载地月自主定位系统技术操作和导航实验（Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment ，CAPSTONE）立方星的“电子号”运载火箭，将在新西兰玛西亚半岛火箭实验室1号发射工位发射升空，前往绕月近直线晕轮轨道（Near Rectilinear Halo Orbit，NRHO）。作为一次深空探测任务，CAPSTONE虽然小但是不简单。

为“阿尔忒弥斯”计划开路的“微波炉”

CAPSTONE是美国航空航天局（NASA）“阿尔忒弥斯”计划下的一个探测任务，任务立方星由先进空间（Advanced Space）公司抓总研制并负责持有和运营，位于加利福尼亚州欧文市的泰瓦克纳米卫星系统公司（Tyvak Nano Satellite Systems）负责立方星平台研制，推进系统则由位于加州圣路易斯奥比斯波的恒星勘探公司（Stellar Exploration）研制，卫星质量55磅（约25千克），体积大约只有一个微波炉大小。

CAPSTONE立方星

CAPSTONE任务的主要目标是测试和验证计算出的绕月近直线晕轮轨道的轨道稳定性，“阿尔忒弥斯”计划下的“门户”（Gateway）月球空间站计划运行在这一轨道上。同时，CAPSTONE还将测试由先进空间公司开发的导航系统，该系统将通过与NASA的月球勘测轨道飞行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）的交互来测量其在地月空间中的绝对位置，而无需依赖地面站进行导航支持。

微小型火箭承担深空发射任务

不同于以往世界航天的月球探测任务动辄使用大型乃至重型火箭，此次任务使用的是微小型火箭“电子号”。该火箭全长18米，起飞质量13吨，起飞推力190千牛 (19.4吨)，起飞峰值推力达到224 千牛(约22.9吨)，推重比约1.5，其近地轨道运力300千克，运载系数约2.3%。

为了能够胜任深空发射任务，此发“电子号”火箭将配备“光子号”（Photon）上面级。在“电子号”到达低地轨道时，“光子号”上面级将主导运输，将CAPSTONE航天器送入其高效的地月转移轨道（弹道式月球转移轨道ballistic lunar transfer, BLT）。在这一阶段，“光子号”上面级将搭载CAPSTONE航天器在绕地球椭圆相位轨道运行6天时间，以达到进行跨月注入（TLI）的速度，将CAPSTONE航天器部署到进入月球附近的深空低能转移轨道，并最终运行在绕月近直线晕轮轨道（NRHO）上。

“光子号”（Photon）上面级

独特的近直线晕轮轨道

近直线晕轮轨道（NRHO）在地球和月球重力的精确平衡点上，只需要最少的能源来进行轨道维持，为像“门户”这样的长期任务提供了稳定性。CAPSTONE的轨道还建立了一个位置，这是前往月球及其以外深空的理想中转区。该轨道近月点是1000 英里（约1609千米），远月点达到43500 英里（约70005千米），运行周期7天。与其它圆形轨道相比，NRHO对往返于月球表面的航天器的推力要求更低。

CAPSTONE航天器奔月飞行轨迹

自发射开始到抵达目标轨道，CAPSTONE航天器需要经过4个月的旅程，之后在NRHO区域至少运行6个月，以了解轨道的特性。具体来说，它将验证维持 NASA 模型预测的轨道所需的动力和推进力，以减少组织管理上的不确定性。它还将展示创新的航天器到航天器导航解决方案的可靠性以及与地球的通信能力。NRHO 除了可以覆盖月球南极之外，其还拥有与地球之间没有遮挡的优势。

作为“阿尔忒弥斯”计划的一部分，CAPSTONE任务航天器的质量只有 25 千克，承担了验证近直线晕轮轨道（NRHO）设计和月轨导航系统的重任，虽不是主要的重磅发射，但是在整个计划当中起到了先导作用。同时，作为一枚微小型火箭，“电子号”将执行首次月球乃至首次深空探测发射任务，拓展了世界微小型火箭的应用空间，具有示范意义。最后，向月轨发射一颗只有25千克的立方星，说明世界航天器的小型化已经有了长足进步，微小型航天器也能胜任部分深空探测任务，这有利于大幅提升人类深空探测的频率和规模。

CAPSTONE任务只是世界航天甚至“阿尔忒弥斯”计划的一小步，其小火箭送小卫星执行深空探测的模式却是一种重要开端！

作者：大白高国

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