月 球 探 测

1. 月 球 探 测

2. Gravity and Orbits(1) Basic Knowledge for Lec3

3. Key Ideas: • Newton Generalized Kepler’s laws to apply to any two bodies orbiting each other • Orbits are conic sections with the center-of-mass of the two bodies at the focus. • Second Law: angular momentum conservation. • Generalized Third Law that depends on the masses of the two bodies. • Triumphs of Newtonian Gravity

4. Kepler’s Laws Revisited • First Law: • Planets orbit on ellipses with the Sun at one focus. • Second Law: • Planet sweeps out equal areas in equal times. • Third Law: • Period squared is proportional to the size of the semi-major axis cubed. • P2=a3, with P in years and a in AUs.

5. Newton’s Generalization • Newton showed that Kepler’s Laws can be derived from first principles: • Three Laws of Motion • Law of Universal Gravitation. • Newton generalized the laws to apply to any two bodies moving under the influence of their mutual gravitation. • Moon orbiting the Earth. • Two stars orbiting each other.

6. First Law of Orbital Motion • The shape of an orbit is a conic section with the center of mass at one focus. • Conic Sections: • Curves found by cutting a cone with a plane. • Circles, Ellipses, Parabolas, and Hyperbolas • Center of Mass is at the Focus: • The Earth does not orbit the Sun, the two orbit each other about their mutual Center of Mass.

7. Circle Ellipse Parabola Hyperbola Conic Section Curves

8. Closed and Open Orbits • Conic curves come in two families: • Closed Curves: • Ellipses • Circles: special case of an ellipse with e=0 • Orbits are bound and objects orbit perpetually. • Open Curves: • Hyperbolas • Parabolas: special case of a hyperbola • Orbits are unbound and objects escape.

9. Circular Velocity • Velocity needed to sustain a circular orbit at a given radius from a massive body: v  vC , the orbit is an ellipse smaller than the circular orbit. v  vC , the orbit is an ellipse larger than the circular orbit. Go a lot faster, and ...

10. Escape Velocity • Minimum velocity to have a parabolic orbit starting at a given distance from a body: • For the Earth’s surface: • vC = 7.9 km/sec (28,400 km/hr) • vE = 11.2 km/sec (40,300 km/hr)

11. Parabola v = vE Hyperbola v>vE Ellipse v<vC Ellipse vC<v<vE Circle v = vC

12. a1 a2 M2 M1 a Center of Mass • Two objects orbit about their center of mass: • Balance point between the two masses Semi-Major axis: a = a1 + a2 Relative positions: a2 / a1= M1 / M2

13. Example: Earth and Sun • Msun = 21030 kg • Mearth = 61024 kg • asun + aearth = 1 AU = 1.5108 km • asun/aearth = Mearth/Msun = 3106 • asun = 450 km • The radius of the Sun is 700,000 km. • The C-of-M is deep inside the Sun.

14. 宇航先驱 维尔·齐奥尔科夫斯基While Tsiolkovsky (1857-1935)和奥博特Oberth (1894-1989)他们是著名的“火箭理论之父”；及戈达德Goddard (1882-1945)是著名的“现代火箭之父”，瑟德瑞·冯·卡门被尊为“现代宇航科技之父”和“超音速飞行之父”。在1999年7月20日马里发行了一枚小型张，以纪念这四位奠定宇航理论的“教父”。

15. 自古中国就有"嫦娥奔月"的传说，敦煌莫高窟有着"飞天"的壁画。中国是最早发明和使用火箭的国家。公元10世纪已有火药用于火箭的文字记载。

16. 万户飞天是一个最早用火箭作动力飞行的故事。万户飞天是一个最早用火箭作动力飞行的故事。  　美国火箭学家赫伯特·S·基姆（Herbert·S·Zim）在1945年出版的《火箭和喷气发动机》（Rockets and Jets）一书中提到，“约当14世纪之末，有一位中国的官吏叫万户，他在一把座椅的背后，装上47枚当时可能买到的最大火箭。他把自己捆绑在椅子的前边，两只手各拿一个大风筝。然后叫他的仆人同时点燃47枚大火箭，其目的是想借火箭向前推进的力量，加上风筝上升的力量飞向前方。”  　　后来“万户飞天”的故事以各种形式被广泛引用。在前苏联、德国、英国等国的火箭专家的一些著作中，也提到了此事。在20世纪70年代的一次国际天文联合会上，月球上一座环形山被命名为“万户”，以纪念“第一个试图利用火箭作飞行的人”。 关于万户飞天，里面还有一个不为多数人所知的故事。

17. 齐奥尔科夫斯基于1903年发表了《利用喷气工具研究宇宙空间》一文和以他的名字命名的公式，奠定了火箭和液体发动机的理论基础。他还证明了脱离地球引力必须使用多级火箭。齐奥尔科夫斯基有一句名言："地球是人类的摇篮。人类决不会永远躺在这个摇篮里，而会不断地探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼穿过大气层，再然后去征服太阳系空间"。

18. 戈达德在理论和实验上都为火箭作出过卓越贡献。1926年他研制出世界上第一枚液体火箭。虽然这枚火箭只飞行了2.5s，达到12m高，56m远，但这是火箭技术非常重要的开端。

19. 第二次世界大战时，纳粹德国在波罗的海边的佩内明德建了一个秘密导弹工厂。冯·布劳恩带领一批科学家在那里研制出现代导弹的鼻祖V-2。V-2导弹在二战中被成批生产并用于实战，主要用来轰炸伦敦。 第二次世界大战以后，冯·布劳恩作为“头脑财富”来到美国。1956年，任美国陆军导弹局发展处处长。他先后研制成“红石”，“丘比特”，“潘兴式”导弹。其中“丘比特”C型火箭，是美国第一颗人造卫星发射成功的关键保障。1970年，他又任美国国家航空和航天局主管计划的副局长，并兼任马歇尔航天中心主任。任期内冯·布劳恩完成了航天飞机的初步设计。晚年他服务于提供卫星实际应用技术的一家公司，任副总裁之职。1977年6月16日，冯·布劳恩因患肠癌在弗吉尼亚州逝世。

20. 1961年4月12日，苏联东方1号宇宙飞船载着加加林围绕地球完成了一次完整的轨道飞行。加加林成了第一位到太空旅行的人。

23. 月球简介

24. ----月球概况 月球的年龄，大约也是46亿年，它与地球形影相随，关系密切。月球也有壳、幔、核等分层结构。最外层的月壳平均厚度约为60～65公里。月壳下面到1000公里深度是月幔，它占了月球的大部分体积。月幔下面是月核，月核的温度约为1000度，很可能是熔融状态的。月球直径约3476公里，是地球的3/11。体积只有地球的1/49，质量约7350亿亿吨，相当于地球质量的1/81，月面的重力差不多相当于地球重力的1/6。 月球俗称月亮，也称太阴。在中国古代神话中，关于月亮的故事数不胜数。 早期的天文学家在观察月球时，以为发暗的地区都有海水覆盖，因此把它们称为“海”。著名的有云海、湿海、静海等。而明亮的部分是山脉，那里层峦叠嶂，山脉纵横，到处都是星罗棋布的环形山。 位于南极附近的贝利环形山直径295公里，可以把整个海南岛装进去。 最深的环形山是牛顿环形山，深达8788公里。除了环形山，月面上也有普通的山脉。高山和深谷叠现，别有一番风光。 古希腊神话中，月亮女神的名字叫阿尔特弥斯，同时她也是狩猎女神。月球的天文符号好象弯弯的娥眉，同时象征着阿尔特弥斯的神弓。

25. 月球是地球唯一的天然卫星，是距离我们最近的天体，它与地球的平均距离约为384401千米.它的平均直径约为3476千米，比地球直径的1/4稍大些.月球的表面积有3800万平方公里，还不如我们亚洲的面积大.月球的质量约7350亿亿吨，相当于地球质量的1/81，月面重力则差不多相当于地球重力的1/6。   月球本身并不发光，只反射太阳光。它的亮度随日月间角距离和地月间距离的改变而变化。满月时亮度平均为－12.7等。     月球的表面是由平原、山峰和山谷组 成的荒漠.还有许多 由于太空物体高速撞击月球表面而形成的陨石坑.月球上没有供人类呼吸的空气，但是可能有供饮用的水.最近在月球阴面的一个很深的陨石坑底发现了冰.科学家们认为这些冰可能是某次与月球相撞的彗星带来的.彗星的冰没有融化，因为月球的背阴面温度非常低。

26. 月球常用数据 月球质量=7.3506×1022千克 月球直径=3476.4千米 月球平均密度=3.34克·厘米-3 月地平均距离=384401千米=0.00257天文距离单位=60.2682地球赤道半径 近地点平均距离=363300千米 远地点平均距离=405500千米 月球表面积=大约1/14地球表面积 黄道与白道交角=5°09´ 轨道偏心率=0.0549 赤道面与黄道面交角=1°32´ 赤道面与白道面交角=6°41´ 平均轨道速度=1千米/秒 月球表面温度：+127℃ - -183℃ 月球表面重力加速度=1.62米/秒2（为地球表面重力加速度的1/6） 月球表面脱离速度=2.38千米/秒 月球年龄=大约46亿年

27. 月 光 月球是天空中除太阳之外第二明亮的星体，但实际上月球本身并不会发光，全靠太阳照亮，反射太阳光。月球迎着太阳的半个球是亮的，背着太阳的半个球是暗的。从地球上观测月球，月球的平均反照率为0.09，也就是说，照射到月球上的太阳光只有9%被月球反射。     月球位于日、地之间时称之为“朔”，月球暗的半个球朝向地球，我们看不到它；朔之后的一、二天，镰刀状的新月从西方的天空中出现，当月球呈镰刀状出现在天边的时候，我们能看到月球圆面的其余部分显现微弱的光辉。这种光辉来自地球反射的太阳光，称为“灰光”。地球能把入射阳光的40%反射出去，比月球反射光线的“能力”高得多，从而可以照亮月球，产生“灰光”。     若从月球上回首眺望地球，地球也同样有圆缺变化，而且总是和月相相反，例如，从月球上看地球，当它处于“朔”附近时，在地球上看到的月亮正处在“望”的前后。由于地球能把入射阳光的40%反射出去，因此，在月球上“满月”时，月球的夜晚会被地球“照”得亮堂堂的，比地球上的月夜亮得多。 图片：月球呈镰刀状出现在天边的时候，我们能看到月球圆面的其余部分显现微弱的光辉，即“灰光”。

28. 月球地形     月面上山岭起伏，还有洋、海、湾、湖等各种特种名称。其实月面上并没有水。环形山是碗状凹坑结构。直径大于1千米的环形山有33000多个。许多环形山的中央有中央峰或峰群。肉眼所看到的月面上的暗淡黑斑叫月海，是广阔的平原。月海有22个。最大的是风暴洋，面积500万平方千米。由于月球上没有大气，在加上月面物质的热容量和导热率又很低，因而月球表面昼夜的温差很大。 月面的地形主要有：环形山、月海、月陆和山脉、月面辐射纹、月谷(月隙)。

29. 环形山这个名字是伽利略起的.它是月面的显著特征，几乎布满了整个月面. 最大的环形山是南极附近的贝利环行山，直径295千米，比海南岛还大一点.小的环行山 甚至可能是一个几十厘米的坑洞.直径不小于1000米的大约有33000个.占月面表面积的 7-10%. 有个日本学者1969年提出一个环形山分类法，分为克拉维型（古老的环形山，一般都 面目全非，有的还山中有山）哥白尼型（年轻的环形山，常有“辐射纹”，内壁一般带有 同心园状的段丘，中央一般有中央峰）阿基米德形（环壁较低，可能从哥白尼型演变而来 ）碗型和酒窝型（小型环形山，有的直径不到一米）.

30. 月陆和山脉     月面上高出月海的地区称为月陆，它一般比月海水准面高2-3千 米，由于它返照率高，因而看来比较明亮.在月球正面，月陆的面积大致与月海相等 但在月球背面，月陆的面积要比月海大得多. 从同位素测定知道月陆比月海古老得多，是月球上最古老的地形特征. 在月球上，除了犬牙交差的众多环形山外，也存在着一些与地球上相似的山脉. 月球上的山脉常借用地球上的山脉名，如阿尔卑斯山脉，高加索山脉等等，其中最长 的山脉为亚平宁山脉，绵延1000千米，但高度不过比月海水准面高三，四千米. 山脉上也有些峻岭山峰，过去对它们的高度估计偏高.现在认为大多数山峰高度 与地球山峰高度相仿，最高的山峰（亦在月球南极附近）也不过9000米和8000米. 月面上6000米以上的山峰有6个，5000-6000米20个，4000-5000米则有80个，1000米以 上的有200个. 月球上的山脉有一普遍特征：两边的坡度很不对称，向海的一边坡度甚大，有时 为断崖状，另一侧则相当平缓. 除了山脉和山群外，月面上还有四座长达数百千米的峭壁悬崖.其中三座突出在 月海中，这种峭壁也称“月堑”.

31. 月海 ：肉眼所见月面上的阴暗部分实际上是月面上的广阔平原.由于历史上 的原因，这个名不副实的名称保留到了现在. 已确定的月海有22个，此外还有些地形称为“月海”或“类月海”的.公认的22 个绝大多数分布在月球正面.背面有3个，4个在边缘地区.在正面的月海面积略大于 50%，其中最大的“风暴洋” 面积越五百万平方公里，差不多九个法国的面积总和. 大多数月海大致呈圆形，椭圆形，且四周多为一些山脉封闭住，但也有一些海是 连成一片的.除了“海”以外，还有五个地形与之类似的“湖”梦湖、死湖、夏 湖、秋湖、春湖，但有的湖比海还大，比如梦湖面积7万平方千米，比汽海等还大得 多. 月海伸向陆地的部分称为“湾”和“沼”，都分布在正面.湾有五个：露湾、暑 湾、中央湾、虹湾、眉月湾；沼有腐沼、疫沼、梦沼三个，其实沼和湾没什么区别. 月海的地势一般较低，类似地球上的盆地，月海比月球平均水准面低1-2千米， 个别最低的海如雨海的东南部甚至比周围低6000米.月面的返照率（一种量度反射太 阳光本领的物理量）也比较低，因而看起来现得较黑. 

32. 湿海是一个位于月球正面的小型环状月海，横跨约389千米。它曾是一个古老的撞击盆地，后来被火山熔岩淹没和填满，周围的山脉标示出了撞击盆地的边缘，但是在一些部位火山熔岩漫过了盆地的边缘。从图片中看到，在右上方有几处地方发生过类似的情况，火山熔岩由西北方漫过了南部的风暴洋(Oceanus Procellarum)。 智慧－1号探测器拍摄的月球湿海(Mare Humorum)的照片，这张马赛克图片是“先进月球成像实验”(AMIE)装置在不同时间拍摄的三张照片拼合而成。

33. 1969年7月21日，美国“阿波罗”－11号载人宇宙飞船降落在“静海”(Mare Tranquilitatis）西南边缘的平原上，这是人类亲临月宫考察的第一次。宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林成为首批造访月球的客人。他们在月面上插上美国国旗、牌照、采集月面土壤和岩石标本（22千克），在月球表面停留了21小时36分20秒。 智慧-1号的“先进月球成像实验”(AMIE)装置在2006年2月5日拍下了阿波罗11号月球登陆点－静海这一区域 。 美国的“勘测者”－5号探测器在1967年9月11号也在选择在澄海登陆月球，在这张图片中也可以看到它的登陆地点。 在这张图片中也可以看到两个月坑，它们分别以搭载“阿波罗”－11号的宇航员的名字命名。 

34. 月面辐射纹     月面上还有一个主要特征是一些较“年轻”的环形山常带有美 丽的“辐射纹”，这是一种以环形山为辐射点的向四面八方延伸的亮带，它几乎以笔 直的方向穿过山系、月海和环形山. 辐射文长度和亮度不一，最引人注目的是第谷环形山的辐射纹，最长的一条长 1800千米，满月时尤为壮观.其次，哥白尼和开普勒两个环形山也有相当美丽的辐射 纹.据统计，具有辐射纹的环形山有50个. 形成辐射纹的原因至今未有定论.实质上，它与环形山的形成理论密切联系.现 在许多人都倾向于陨星撞击说，认为在没有大气和引力很小的月球上，陨星撞击可能 使高温碎块飞得很远.而另外一些科学家认为不能排除火山的作用，火山爆发时的喷 射也有可能形成四处飞散的辐射形状. 

35. 月谷（月隙）     地球上有着许多著名的裂谷，如东非大裂谷.月面上也有这种 构造那些看来弯弯曲曲的黑色大裂缝即是月谷，它们有的绵延几百到上千千米， 宽度从几千米到几十千米不等. 那些较宽的月谷大多出现在月陆上较平坦的地区，而那些较窄、较小的月谷（有 时又称为月溪）则到处都有.最著名的月谷是在柏拉图环形山的东南连结雨海和冷海 的阿尔卑斯大月谷，它把月面上的阿尔卑斯山拦腰截断，很是壮观.从太空拍得的照 片估计，它长达130千米，宽10-12千米.

36. 月球的运动

37. 月球以椭圆轨道绕地球运转.这个轨道平面在天球上截得的大 园称“白道”.白道平面不重合于天赤道，也不平行于黄道面，而且空间位置不断变化. 周期173日。月球轨道（白道）对地球轨道（黄道）的平均倾角为5°09′。     月球在绕地球公转的同时进行自转，周期27.32166日，正好是一个 恒星月，所以我们看不见月球背面.这种现象我们称“同步自转”，几乎是卫星世界的普 遍规律.一般认为是行星对卫星长期潮汐作用的结果. 天平动是一个很奇妙的现象，它使得我们得以看到59%的月面.主要有以下原因： １.在椭园轨道的不同部分，自转速度与公转角速度不匹配. ２.白道与赤道的交角。月球绕地球转动的周期，朔望月29.53059日；恒星月27.32166日。

38. 最佳的觀察月球時候為弦月(Crescent Moon)或盈月(Gibbous Moon)時,那時月球會被分為兩部份,一邊為光,一邊為暗,分開兩部份的為明暗界線(Terminator),在明暗界線附近的地型有影子,從影子的長度可知該地型的高度.由於月球的自轉週期和公轉週期一樣,所以理論上我們只會永遠見到月球的同一面,這叫做同步自轉(synchronous rotation).

39. 地球的自转令到我们看见月球东升西落,但月球本身一直逆时针公转,所以我们每晚皆会见到月球比上一天迟升五十分钟,月球经过27.322日又会回到最初的位置,这个月球绕地球公转一圈的周期为恒星月(Sidereal Month). 初一时,月球运行到太阳与地球之间,我们见不到它的受光面,此时为新月(New Moon),十五时,月球的受光面可以完全让我们看见,称为满月(Full Moon),假设今天见到满月,月球经过了27.322日又回到了原先的位置,可是我们不会见到满月,因为在月球绕地球公转时,地球也在绕太阳公转,地球已经在轨道上移了少许,不能再和月球成一直线形成满月,月球要再行多一点点的距离,它们方能排成直线,我们方能见到满月,所以要见到同一个月相(Phase)要较多一点的时间,这个月相周期为29.531日,称为朔望月(Synodic Month)(其实即是会合周期).

40. 天文学上有一样东西叫蓝月(blue moon),蓝月并不是月球真的变成蓝色(这个情形只会在火山爆发时火山微粒散射了月球的光才发生,妳知道为什么吗?),只是有时一个月内看到两次满月(即有两个农历十五),我们就会把第二个满月叫做蓝月(一个月发生两次新月却没有特别名字).2000年没有蓝月的发生. 蓝月会发生在2001年11月30日,而事实上有时更会发生1年2个蓝月(如1999年,1月及3月均有蓝月发生).其实,经过了18.61年,盈亏周期会重合,),这循环叫做Metonic Cycle,又有人用19年乘4,更加准确,此循环叫卡利巴斯周期(Callippic Cycle).

41. 我们知道，海水每天都有涨有落，每天都有两起涨潮和两起落潮，这是由于月球对地球引力造成的。那么太阳与地球之间同样存着引力，是否也会引起潮汐？实际上，太阳对地球的引力的确会使地球产生潮汐。这种由太阳引力导致的潮汐被称为太阳潮，而月球引起的潮汐被称为太阴潮。因此，地球上的潮汐有太阴潮和太阳潮之分。我们知道，海水每天都有涨有落，每天都有两起涨潮和两起落潮，这是由于月球对地球引力造成的。那么太阳与地球之间同样存着引力，是否也会引起潮汐？实际上，太阳对地球的引力的确会使地球产生潮汐。这种由太阳引力导致的潮汐被称为太阳潮，而月球引起的潮汐被称为太阴潮。因此，地球上的潮汐有太阴潮和太阳潮之分。 图片说明：当太阴潮和太阳潮同时发生，两者叠加就形成了大潮；而当太阴潮的涨潮和太阳潮的落潮同时发生，两者互相抵消就形成小潮。 比起月球来，太阳对地球的引力要强得多，但是潮汐的大小并不完全取决于引力强弱的绝对数值，而是主要取决于海洋和地壳所受的引力之差。太阳虽然具有强大的引力，但它离地球的距离比月球远得多，施于地球的起潮力只有月球的1/2.17，因此，对于地球上的潮汐来说，太阴潮比太阳潮要强烈得多。 每逢朔月和望月时，太阴潮和太阳潮会同时发生，两者叠加，就形成了大潮。而逢上弦和上弦时，太阴潮的涨潮和太阳潮的落潮同时发生，两者互相抵消，就只能形成小潮。

42. 大潮和小潮

43. 不过,事实上我们见到的月球足有59%,原因是: >>> 月球绕地球的公转轨道是椭圆形,根据开普勒第二定律,当月球离地球远一点时,公转会稍慢,自转却不受影响,那即是说它公转慢过自转,月球会稍微转多一点点左面出来.当月球离地球近一点时,公转会稍快,那即是说公转快过自转,左面的部份还未全部出来,所以见到多一点点右面的部份. >>> 月球公转的轨道面(白道面)和地球公转的的轨道面形成5度9分的交角,月球有时在黄道面之下,有时在黄道面以上,故导致月球显示出稍上或稍下的部份.

44. 当月球运行到太阳与地球之间(即初一),月球的影子会投射在地球上,产生一本影区(Umbra)地球上位于本影区的人会看见月球遮蔽了太阳,此乃日全蚀(Total Solar Eclipse),若该地方只有一部份踏入了本影区,一部份留在半影区(Penumbra)(半影区也是月影,不过没有这么暗)就会产生日偏蚀(Partial Solar Eclipse). 太阳被完全遮盖,我们可见到太阳周围的日冕(Corona).太阳被全蚀的持续时间多数不会超过七分钟.由于月球公转的轨道是椭圆形的,月球有时会离地球远些,只要月球在离地球远一些的位置遮盖太阳,我们会见到月球面积较小,不足以完全遮盖整个太阳,太阳的外围不能被月球所遮盖,故产生日环蚀(Annular Eclipse/RingEclipse).

46. 月球探测&阿波罗登月

47. 第一次拍摄到月球背面的影像，至此人类才知道月背是凹凸不平的第一次拍摄到月球背面的影像，至此人类才知道月背是凹凸不平的 月球探测计划的第一次高潮起于１９５０年代的美苏太空竞赛，由于那时正处于两国激烈竞争时期，竞争面涵盖陆、海、空三度空间，因此很多科技也都发展迅速，而在１９５７年时，苏联史坦尼克卫星的发射，更不只宣示了其洲际弹道飞弹的能力，也代表了人类正式揭开神秘太空宇宙面纱的开始。     由于受到苏联发射卫星的刺激，美国在１９５８年正式宣布成立美国航空暨太空总署（NASA），正式与苏联在太空开始竞技。自此之后，自１９５８年至１９７６年８月止，美苏两国成功发射了共４５个月球探测器。以下就先简单叙述一下美苏两国在太空探测方面的历史及成就（１９５７－１９７２）： –1957年，苏联的「史坦尼克」卫星发射升空→为人类首次将探险的角伸向地球之外的太空 –1957年，苏联「史坦尼克二号」卫星送小狗上绕地轨道→为人类首次将地球生物送离地表 –1958年，美国成立航空暨太空总署（NASA） –1959年，苏联的「射月」火箭击中月球→人类首次观察到月球表面的震动现象，且Luna３也首次拍摄到月球背面的影像。