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“鹊桥”最全解读:人类探测器首登月背的必经之“桥”
王强 2018-05-23
导语

如今,“鹊桥”即将架设,不久,月球背面将第一次听到来自地球“邻居”的扣门声。

“鹊桥”升空了。

5月21日5时28分,在西昌卫星发射中心,震耳欲聋的火箭呼啸声惊起群鸟,黎明前的大凉山山涧中,它们睡眼惺忪。

人却很精神。发射场内的操控台,稍远一些的山坳里,50公里外的西昌市,人们一夜未眠。他们是发射任务执行官兵、火箭和卫星试验队员,以及慕名前来的航天爱好者和观众。

无数人望着它。人类首个以月球背面为目标的探测任务——嫦娥四号探月工程,就在此刻迈出了第一步。

▍登陆宁静的月背,或可“看”到宇宙起源的遗迹

人类对月球渴望已久。千百年来,这个头顶上空“阴晴圆缺”的球体带给人们无尽想象,甚至寄托着人们的“悲欢离合”。人们尝试通过肉眼或者机械镜头接近它,美国人甚至成功踏上了它的领地,但“月之暗面”的谜题从未有人揭晓。

由于月球自转和公转周期一致,它只能永远以同一面朝向地球。

虽然难以看到,月球背面的科学探测意义却很重大。那里避开了来自地球的大量电磁干扰,处于一种电磁波“宁静区”,在这样的洁净环境中,探测器可以接收到更多微弱信号,例如宇宙形成早期发出的短波。

另外,人类通过多次环月探测发现,月球背面分布着大大小小的天体撞击坑,这片神秘区域到底经历过怎样的天体活动?科学家分析,这些撞击坑有的在几十万年前生成,能否通过它们找到宇宙起源的蛛丝马迹?

中国开始将深空探测目标锁定在月球背面。2015年11月30日,探月工程重大专项领导小组批准嫦娥四号任务组织实施,标志着月球背面登陆探测正式开始。

▍定制精巧的“鹊桥”,为月背的探测器架起“通信桥”

第一个难题迎面而来:月球始终以同一面朝向地球,这就意味着,若探测器在月球背面登陆,它与地球不仅相隔遥远的地月距离,还要受庞大月球球体的阻隔,如何与地球保持通信联络?

“搭桥”是较为完美的解决方案。发射一颗中继卫星,将其当做中转站,用来接受和转发地球和月球上发出的信号,相当于给地球和月球搭起一座通信桥梁。

通过发射中继卫星为航天器和地球搭建天地通信链路,是一种较为常见的做法。中国的中继卫星技术已经相当成熟,十年前,第一颗中继卫星上天,十年间,相继发射的4颗“天链一号”卫星组网运行,成功实现对中、低轨航天器全球100%覆盖。

但与“天链一号”相比,嫦娥四号中继卫星有点不一样。首先,最大的不同是“天链一号”对数据采取透明转发方式,即不对数据做处理,保持“原汁原味”,嫦娥四号中继星则属于“再生转发”,即先对数据进行“解码”、“去格式”、“复接”、“编码”等处理,再发送。

其次,“天链一号”具有广泛的通用性,嫦娥四号中继卫星更像是为执行月球背面探测任务而专属定制。嫦娥四号是嫦娥三号的备份卫星,主要设备已经生产出来,所以需要专门研制一颗中继星,去跟它的接口进行匹配。

中继卫星的抓总研制任务被交到了中国航天科技集团有限公司五院所属航天东方红卫星有限公司手中。2018年4月24日,第三个“中国航天日”期间,中继卫星被正式命名为“鹊桥”。


“鹊桥”不大,整个重量才约448公斤,卫星本体横向尺寸1.4米×1.4米,高度才850毫米,加上天线是3米多。

就像一个中型保险柜,存放着人类首次探索月球背部的梦想。

▍“喜鹊开屏”,在极端环境中,考验深空探测关键核心技术

5月21日6时20分,伞状天线缓缓展开。这个展开后口径达4.2米的大型天线,将首次为人类传送来自月球背面的信号。它有一个头衔:人类深空探测任务史上最大口径的通信天线。“鹊桥”能否畅通无阻,关键靠它。

通常在深空探测任务中,建立远距离数据通信的可靠链路最为困难,这也是世界各国都在致力解决的深空探测关键核心技术,而要确保通信链路的可靠性,天线是关键。这颗卫星离地球和月球都比较远,要满足通信要求,天线口径得尽可能做大。

此外,天线与其他中继链路设备不同。后者可以做一些冗余,但天线只有一个,是整星的单点环节,一旦出问题,对整个任务而言是灾难性的。

恶劣的太空环境对天线带来严峻考验。在轨运行期间,“鹊桥”会经过一段没有光照的阴影区,最长可达4个多小时,阴影区温度平均-200℃左右,在阴影区,天线最冷的部件温度将达到-230℃,为了顺利通过如此严寒的考验,中国航天科技集团有限公司五院西安分院的设计师们做了大量试验验证,有效保障了伞状天线能够克服严酷环境,可靠工作。

▍奔向绕地月L2点的Halo轨道,消耗燃料更少,维持通信更久

按计划,嫦娥四号中继星与火箭分离后,经过约4~5天的飞行,期间经过2~3次中途修正,“鹊桥”将到达距离月面高度约100公里的近月点。经过近月制动后,在约21天时间内,“鹊桥”将进行2次中途修正和3次捕获控制,最终进入绕地月L2点的Halo轨道。


为何最终到达这里?地月拉格朗日2点简称地月L2点,距离地球40多万公里,是5个地月拉格朗日点之一。根据天体物理学的解释,地球和月球两大天体在太空中 运动,其万有引力与离心力在这5个点处得以平衡。倘若这5个点处存在第三个天体,且这个天体的质量相对于地球和月球无限小——譬如中继星,那么它就可以和 地月保持相对静止状态,受地月引力作用可以保持相对稳定状态,从而节省卫星燃料。

“鹊桥”正是看中了地月拉格朗日点的稳定性。既然5个点都可以保持稳定,为何偏偏选择了L2点?

这是因为地月L2点位于地球、月球两个大天体的连线上,且在较小的天体即月球一侧,即正好面向月球背面。嫦娥四号要在月球背面靠近南极的艾特肯盆地执行任务,想要对此处和地球同时可见,只能选择L2点。

中继星选择了地月L2点,但并不是在此处保持静止状态,而是围绕该点做拟周期运动,其运动轨道是Halo轨道。

L2 点位于地月连线上的月背一侧,若卫星在此处,受月球遮挡根本不可能“看见”地球,所以设计师为其设计了Z向振幅约1.3万公里绕地月L2点的Halo轨 道。“鹊桥”架设在这一轨道上,既能“看见”地球,又能“看见”月球,既可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换,又因为受地月引力作用而保持相对稳 定状态,从而节省了卫星燃料。

绕地月L2点的Halo轨道,无疑是嫦娥四号中继星的理想处所。

▍两位“嫦娥”接力,为“鹊桥”探路

轨道虽然很理想,但“鹊桥”选择这里却不是贸然行动,而是站在“前人肩膀上”的理性选择。早在2011年,我国嫦娥二号完成探月任务后,离开月球轨道飞向日地L2点,这是人类首次实现从月球轨道出发到日地L2点,也是中国首次实地探访拉格朗日点。

3年之后,中国再次向另一个L2点——地月L2点进发。2014年,探月工程三期再入返回飞行器完成返回任务后,留轨的服务舱前往地月L2点进行探测,这是我国飞行器首次飞抵这里并完成科研任务,也是世界上第二个到达地月L2轨道的航天器,此前,仅有美国的Artemis任务短暂造访过这片神奇的空域。

有了前人“栽树”,“鹊桥”的运行轨道才最终被确定为绕地月L2点的Halo轨道。

Halo 轨道的概念由美国人Farquhar在1967年提出,根据Farquhar的构想,如果在这一轨道上放置一颗中继通信卫星,可以为月球背面着陆的探测器 提供通信中继服务。基于这一构想,美国宇航局曾计划在阿波罗17号任务中进行实施,但最终由于风险较大、技术复杂等原因而放弃。

如今,“鹊桥”勇敢地选择了这个轨道。若进展顺利,“鹊桥”将是世界上第一颗成功在地月L2点上采用Halo轨道的卫星,意味着我国率先掌握了地月中继通信技术。

▍“鹊桥”先行,既为嫦娥四号“搭桥”,又为其他科学试验“牵线”

按照计划,嫦娥四号任务分两步进行:先发射中继星,再发射着陆器和巡视器组合体。“鹊桥”提前半年出发,要做好前期“功课”:尽快完成在轨测试,调整进入备战状态,以便迎接年底嫦娥四号着陆器和巡视器的到来。

除了搭建通信桥梁,“鹊桥”还尝试为空间科学试验“牵线”,激光测距试验是其一。目前,人类历史上最远距离的激光测距试验是依据1969年阿波罗11号在月 球上放置的一套激光测距反射镜阵列进行。如今,在距离地球约40多万公里的地月L2点附近,“鹊桥”将尝试把远距离激光测距的纪录再度延伸。


“鹊桥”上还搭载了浙江大学研制的两台相机,用来拍摄天线展开的过程,若幸运,人们还会看到其拍摄的地月彩色合影。中继星还搭载了中国、荷兰合作研制的低频射电探测仪。

世界范围内,人类探索月球的活动大致可分为“探”、“登”、“驻(住)”三个阶段。根据中国探月工程总体规划,2020年前,中国月球探测工程以无人探测为主,属人类探月三阶段中的“探”。瞄向“月之背面”的“鹊桥”是人类探索月球迈出的坚实一步,也是创新性一步。

如今,“鹊桥”即将架设,不久,月球背面将第一次听到来自地球“邻居”的扣门声。

(本文来源:中国航天科技集团微信公众号;)

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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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