首个月球信号中继卫星上天！嫦娥四号探索月背第一步

月球 · 2018-5-21 07:12:49

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　　来源：微信公众号科学大院
　　5月21日，我国用长征四号丙运载火箭成功发射嫦娥四号中继星“鹊桥”，按照计划，“鹊桥”将在今年年底等到前来月球背面执行探测任务的嫦娥四号着陆器和巡视器。届时，“鹊桥”将提供中继通信服务，为地球和月球搭建一条跨越40多万公里的通信“桥梁！
　　月球是地球唯一的天然卫星，陪伴地球已经超过45亿年。它对地球地轴指向、自转稳定、周期潮汐、夜晚照明等有着巨大意义。可以说，离开了月球，地球根本不会是今天这种光景。
　　人类永远只能看到月球的“一面”
　　由于地球强大引力的影响，月球也付出了很大代价：月球将它的自转周期减慢为与围绕地球公转周期完全一样，也就是潮汐锁定。
　　在这种效应下，身处地球的人类基本永远只看到月球的“正面”，只能在月球的天平动效应下（月球轨道是椭圆，在轨道不同点的公转速度不同，月球自转也相对地球轨道面有一定倾角）看到月球“背面”一小部分（积累下来的极限是18%）。但总体来看，人类是无法看全月球背面的。

　　人类在地球上永远只能看到的月球正面（左）和看不全的背面（右）（图片来源于NASA）
　　即便到了载人航天时代，由于月球整体的阻拦，背面成了地面通信的禁区。在过去的60年内，人类已经发射了超过百个月球探测器，其中有65个月球着陆器，但仅有非载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗8/10/11/12/13/14/15/16/17看到过月球背面，没有任何一个能够实现月球背面的着陆。
　　也正因如此，人类关于月球背面的阴谋论和谣言甚嚣尘上，外星人基地、纳粹残余、月球人家园，这些甚至广泛出现在各种科幻作品中，各种演绎充满想象力。月球背面甚至得名“月之暗面”（尽管实际上背面也能被太阳照到，只是人类看不到而已）。
　　为实现月球背面的探测、登陆与研究，就必须把信号传递到那里。现在这个方案就是中国嫦娥四号登陆信号中继星，人类历史上首个，妥妥的。
　　信号中继卫星，是什么？
　　相信大家也可以想到：载人飞船环绕地球运行时，90分钟左右就能绕地球一周，如果到地球背面时，该怎么联系？
　　主要有三种方案：
　　1。全球布网测控站，但需要世界范围内都买单的强大政治影响力，还有海洋无法建站因素，显然很难；
　　2。建立移动测控站，比如我国前后7艘远望号测量船中的2艘左右会在火箭发射时驶入大洋，但显然每次都航行到地球另一侧不现实；
　　3。在太空中建立信号中继卫星网络，它们运转在距离地面35786千米高的轨道，与地球自转同步，只要3-4颗足够覆盖全球，它们就是“天眼”，但技术难度显然最高。
　　第三种提到的就是信号中继卫星，它们的功能就是接收、加工、转发其他卫星的信息，换句话说：“卫星的卫星”。拥有这个技术的国家/地区有美国、俄罗斯、欧洲、中国、日本，但目前处在完整工作状态下的中继卫星通讯系统中，仅有美国和中国能够实现全球覆盖。
　　举个典型的例子，2003年，中国航天第一人杨利伟进入太空，那时他只能在飞到中国附近卫星测控站时才能与地球联系。无论是跟国防部长通话还是跟家人问候，一次大概5分钟就必须草草结束。

王亚平授课是通过天链一号系统（图片改编自中新网）

　　
　　而到了2013年神舟十号，王亚平就已经能在太空中实现51分钟的太空授课，期间飞船绕了地球大半圈。到了神舟十一号，景海鹏和陈冬已经能看地面电视直播了。
　　他们依赖的就是我国覆盖全球的四颗信号中继卫星，天链一号。
　　为了嫦娥四号，咱也送一颗中继卫星去月球？

嫦娥四号中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭升空瞬间（赵聪摄，图片来自中国航天科技集团）

　　为探测月球背面发射信号中继星，在1960年代NASA准备阿波罗登月项目时就有提出，直到任务结束也没有被立项。现在最多的应用是在众多火星轨道器上，它们既探测火星，又为地面上的火星车和着陆器中继信号。
　　嫦娥四号将在年底成为人类历史上第一个踏足月球背面的探测器。既然月球挡住了背面，为了给嫦娥四号和玉兔号月球车实现信号转发服务，它的信号中继卫星需要提前出发准备，这自然也是人类历史上首个月球信号中继卫星。

　　嫦娥四号信号中继卫星带有一个口径4.2米的伞面天线（图片来源于吴伟仁等，详见注1）
　　在2018年4月24日中国航天日，这个中继卫星被命名为“鹊桥”，想必这个名字的典故和来历，不需要补充了。
　　不过不同于大型的天链系列卫星，鹊桥使用的是我国空间技术研究院CAST100卫星平台，这是一个微小卫星通用平台，因而鹊桥也的确“身轻如鹊”，只有包含燃料也仅有几百千克。
　　为了稳定在遥远的深空同时保证对地月通讯的稳定，鹊桥必须定位在一个叫做地月拉格朗日二点的位置附近，选择一条独特的Halo轨道。在此前2014年的嫦娥五号T1测试飞行器已经验证了相关轨道转移和控制技术。
　　拉格朗日点又叫做平动点，对于两个天体而言，它们的综合引力影响在这些点（共计5个）达到平衡，那么航天器处在这个位置附近的Halo轨道时将会相对两个天体几乎静止。拉格朗日二点就是引力平衡、在较小天体外侧的点，在月球背后。因此，选择这个点有三个重大优势：
　　1。随着这两个天体一同运动并与二者处在几何关系几乎不变的状态；
　　2。两个天体引力平衡，卫星所需要的轨道维持燃料极少；
　　3。没有天体遮挡，一直暴露在日照之下，太阳能丰富。

中继星与地球、月球的轨道关系（图片来源于吴伟仁等，详见注1）

　　
　　因此，对于设计寿命5年的信号中继星而言，它能够轻易稳定在这个轨道数十年，足够中国、乃至叶培建院士提出的也可以帮助其他国家类似月球背面任务使用。
　　在2018年底，嫦娥四号抵达月球背面时，这个鹊桥“天眼”将会执行任务的指令发送、信号中继、数据下载等功能，成为链接地球与月球的“鹊桥”。

中继星实现地月信号传递的链路（图片来源于吴伟仁等，详见注1）

　　
　　同时，这个中继星还携带了激光反射器，验证我国的超远距离激光测距技术。2018年1月27日，我国刚实现了地月距离的激光测距，而中继星将会把这个距离进一步增加约8万千米（月球距离地球最远状态是40万千米）。
　　由于执行发射任务的长征四号丙火箭发射鹊桥运力尚有剩余，这次任务还将携带两颗超长波天文观测微卫星组成编队实现天文干涉测量实验。他们可以利用月球背后几乎不被地球干扰的特点，实现更加纯粹的观测。宇宙“黑暗”时期到底有什么，由它们来揭秘，这也是人类首次采用这种方式观测宇宙。

两颗卫星组成的“太空天文台” （图片来源于张锦绣等，详见注2）

　　
　　在最近的航天日上，我国也宣布了这两颗卫星的命名。卫星的主要设计团队来自位于黑龙江省的哈尔滨工业大学，它们的名字“龙江一号”和“龙江二号”来历想必大家也很清楚了。
　　中国制造，既是照亮月球背面的“天眼”，又是链接地球月球的“鹊桥”，预祝嫦娥四号任务一切顺利！
　　注：
　　1。  文中的 ã吴伟仁等均指来自此期刊文章：吴伟仁，王琼，唐玉华，等。 “嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计[J]。深空探测学报，2017， 4（2）：111-117。
　　2。  文中的 ã张锦绣等指来自此期刊文章：张锦绣，陈学雷，曹喜滨，等。月球轨道编队超长波天文观测微卫星任务[J]。深空探测学报， 2017， 4（2）：158-165。
　　3。  NASA最早提出的完整月球信号中继方案可见文章：Farquhar， W。（1972）。 A halo-orbit lunar station。

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