架中继“鹊桥” 助嫦娥奔月

　　人民网北京5月21日电 “嫦娥奔月”这一家喻户晓的神话故事，讲述着中华民族千百年来好奇宇宙、探索月球的美好夙愿。2013年底，“嫦娥三号”成功实现了在月球正面的软着陆并完成了巡视探测任务，树立了中国探月史上的一座丰碑。这一成功，进一步激发了我国对月球背面开展科学探测和登陆巡视的信心。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的正式开始。2018年5月21日，由中国航天科技集团研制的嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射，迈出了我国月球背面登陆的关键一步。
　　神秘的月球“背面”
　　众所周知，宇宙中的天体都处于自转的状态，月球也不例外。然而，月球在自转的同时，也在围绕着地球公转，这两种运动恰好达到了一种平衡，导致了月球永远都只有一面面向地球，而另一面则永远处于背向地球的阴影中。因此，月球“背面”探测成为航天事业中的一个热点和难点。美国、欧洲各国等都提出过探测月球背面的计划，但由于种种原因，最终都未能实施。目前，人类还没有探测器到达神秘的月球背面。
　　为什么要研制发射中继星“鹊桥”？
　　月球背面登陆探测面临着一个很大的难题，那就是由于月球本身的遮挡，运行到月球背面的着陆器和巡视器无法与地球之间进行通信，可谓是“两眼一抹黑”。因此，如何解决着陆器和巡视器在月球背面时与地球之间的通信就成为进行月球背面登陆探测的关键难题。
　　“鹊桥”的本质是一颗地月中继通信卫星。通过发射中继星“鹊桥”，可以以“鹊桥”为通信中继点，从而绕过月球实现着陆器和巡视器与地面之间的通信。正因如此，中继星“鹊桥”与地球和月球背面之间都必须无遮挡，这对“鹊桥”的运行轨道设定了较高的要求。
　　“鹊桥”的运行轨道是怎样的？
　　每一颗卫星在宇宙中都有自己的运行轨道，例如地球同步轨道、太阳同步轨道等，中继星“鹊桥”也不例外。“鹊桥”的运行轨道为绕地月L2平动点的Halo轨道。这一运行轨道具有长期与月球背面可见、地球方地面站对中继星跟踪弧段长、轨道维持代价较小等优点。
　　所谓“地月L2平动点”，也称作地月拉格朗日点，是指在地球和月球这一二体旋转系统中的引力动平衡点。根据研究，在地月二体旋转系统中共存在五个平动点，运行于这五个平动点的探测器可以以较低的消耗维持与地月二体旋转系统几何构型不变。其中L2平动点处于月球背面的地月延长线上，可实现地球与月球背面的中继通信功能。
　　至于Halo轨道，则是由美国人Farquhar在1967年提出的概念，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NASA航天局曾计划在阿波罗17号任务中进行实施，但最终由于风险较大等原因而放弃。
　　“鹊桥”是如何实现中继通信功能的？
　　中继星“鹊桥”由平台系统和载荷系统两部分组成，装载有伞状抛物面天线、测控天线和数传天线三类低频射电天线。其中，伞状天线展开直径可达近5米，是人类深空探测任务史上最大口径的通信天线。
　　中继星“鹊桥”采用对地链路统一，对月链路独立的设计方式。针对地面发送的中继星及月球探测器上行指令与数据，统一使用一条链路；中继星与月球探测器的下传数据统一使用一条链路。中继星向月球探测器转发指令和数据分别使用一条独立链路，接收月球探测器数据时也分别使用一条独立链路。
　　“鹊桥”的成功发射具有哪些重要意义？
　　中继星“鹊桥”是中国航天科技集团自主研发的地月中继通信卫星，同时也是人类历史上第一颗地球轨道外专用中继通信卫星，也是第一颗在地月L2平动点上采用Halo轨道的卫星。“鹊桥”的成功发射，标志着我国率先掌握了地月中继通信技术，这是我国在月球探测领域取得的新突破。
　　此外，中继星“鹊桥”的成功发射，为后续嫦娥四号成功着陆月球背面开展探测任务奠定了关键性的基础，为嫦娥四号探月工程的圆满完成提供了有力保障。

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