“鹊桥”号成功发射 月球背面第一次有信号(组图)

2018-05-21 16:44:02    所在频道:  科技    来源: 果壳网

  今天凌晨5点28分,我国在西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功将嫦娥四号任务“鹊桥”号中继星发射升空。这颗卫星将穿针引线,在地面和月球背面之间架起通信的桥梁。

  装载着“鹊桥”号的长征四号发射成功。图片来源:央视网

  这座桥梁,是给今年年底将要实施的嫦娥四号探月任务架设的。众所周知,月球的自转和公转周期相同,导致它只有一面对着地球,我们在地球上永远没法直接看到月球背面。而嫦娥四号的着陆器和月球车,就要在我们看不见的月球背面着陆。只有先架好了鹊桥,嫦娥四号到了月球背面之后,才不会跟我们失去联系。

  鹊桥号中继星,将为前往月球背面的嫦娥四号着陆器和月球车,提供通信服务。图片来源:chinaspaeceflight.com

  去吧,到月球的背面去!

  嫦娥三号任务成功后,备份星嫦娥四号就成了食之无味弃之可惜的鸡肋。嫦娥四号和三号基本一样,如果只是简单重复三号的任务,就没有太大的科学意义,但嫦娥四号着陆器已经造好,要是放仓库里闲置又实在可惜,怎么办呢?

  人类已经进行了多种多样的月球探测,无论是环绕的轨道器、软着陆的着陆器,还是在月面行驶的月球车都屡见不鲜,美国的阿波罗登月计划更是6次载人登上月球,但月球背面始终是着陆和巡视探测的空白区。

  月球背面无法和地面直接通信,必须有中继卫星才能进行实地探测,美国的阿波罗计划曾提议发射中继星并进行月球背面着陆,但阿波罗计划到17号任务就戛然而止,至于苏联和其他国家更是没有再进一步。

  航天大国都放弃了,是不是月球背面没什么科学价值呢?

  恰恰相反:美国国家研究理事会为重返月球的“星座计划”提出了35个科学目标,通过探测月球背面的南极-艾特肯盆地(SPA),这些目标几乎就能完全实现;SPA盆地是太阳系已知的最大最深最古老的撞击坑,美国《2013-2022年行星科学十年调研》报告中,SPA盆地取样也是名列前茅的目标。

  简单地说,虽然月亮离我们不远,但月球背面着陆探测仍是科学探测的处女地!面对这块深空探测的洼地,中国当然不会无动于衷。

  2015年6月,中国科学家参加联合国和平利用外层空间委员会(COPUS)举办的年度会议,展示了嫦娥四号任务方案并寻求国际合作,新方案核心内容就是着陆月球背面。按照计划,嫦娥四号将在2018到2019年发射,在月球背面进行软着陆和科学探测。

  为了支持月球背面的着陆和探测活动,方案中还增加了一颗中继卫星。中继卫星将单独发射进入地月L2点附近的晕(Halo)轨道,设计寿命可达3年以上,它自己也将携带科学仪器进行探测。

  4月24日,嫦娥四号的这颗中继卫星,被正式命名为鹊桥号。

  鹊桥号中继星将运行在地月L2晕轨道上。

  地月L2轨道最省事

  鹊桥号中继星将运行在地月L2晕轨道上。

  L2是地月系统的第二个拉格朗日点,这是地月引力的平衡点之一。L2点位于月球的背后,到地球的距离超过40万千米,比月球还要再远上6.5万千米。

  为什么鹊桥号要跑到这里来呢?

  说起地球上的通信中继,我们首先会想到同步轨道上的卫星。对于自转周期27.3天的月球来说,它的同步轨道高度约为8.8万千米。这个位置距离月球实在太远,超出了地月系统的L1和L2引力平衡点。

  换句话说,月球同步轨道上的物体,受到地球引力的影响会大过月球引力对它的束缚,没办法和月球保持同步静止。由于有地球的存在,同步轨道在月球上是行不通的。

  地球常用的同步轨道在月球上就行不通了。图片来源:pixabay

  同步轨道不行,那么像最近频频炒作的星链和星座一样,在月球低轨道部署中继卫星又如何呢?

  这里倒是不存在被地球引力“带节奏”的困扰,但单颗卫星通信覆盖范围有限,为了保证对月球背面全时段通信覆盖,必须发射很多卫星组成星座才行。要是未来建立永久性有人的月球基地,组建这么一个低轨中继星座还说得过去,为一个无人探测器这么做,就实在小题大做了。

  相比之下,地月L2轨道的优势就相当明显了。形象地说,月球位于中间,地球和地月L2晕轨道在两边。在L2轨道放一颗中继星,就能为整个月球背面提供实时地对地通信,实在是省事省钱的好办法。

  地月系统的拉格朗日点是地月引力的平衡点。图片来源:LPI-JSC Center for Lunar Science and Exploration

  难怪美国在阿波罗计划的时代,就探讨过用L2轨道中继星支持登陆月球背面。现在美国讨论和实施的深空门户站项目(DSG),也曾规划运行在地月L2轨道上,以便灵活地实施探月登月、小行星探测和前往火星的任务。

  为了将鹊桥号布设到地月L2轨道,中国也做过准备工作。嫦娥五号T1服务舱就曾在2014年11月27日进入过环绕地月L2点的轨道,第二年的1月4日实施机动脱离,其间还进行了轨道维持,为鹊桥号的正常工作积累了宝贵的经验。

  嫦娥五号T1服务舱曾经前往月球背面的地月L2点,为鹊桥号中继星积累了宝贵的经验。这张地球(左上)和月球的合影,就是嫦娥五号T1在月球背面拍摄的。

  鹊桥虽小,五脏俱全

  嫦娥四号任务将实现世界上首次月球背面软着陆,在工程和科学上意义非凡。鹊桥号中继星也是人类第一个地月L2晕轨道的中继星,将首次实现月球背面和地面站之间的遥测通信。

  那么,这颗至关重要的中继星长什么样呢?

  2016年底,中国空间技术研究院公开了鹊桥号中继星的真面目。这是一颗CAST100平台的小卫星,设计寿命5年,虽然只有425千克重,却能自己调姿和变轨,还带了一面直径4.2米的大天线,能够和地面进行2M的高速通信,与嫦娥四号着陆器和巡视器的通信速度也能达到100k以上。

  除了为嫦娥四号提供通信中继以外,鹊桥号还有自己的探测使命。鹊桥号将携带荷兰-中国低频探测器(NCLE),探测来自于早期宇宙的低频射电辐射。由于鹊桥号位于月球轨道以外,远离地球的电离层,并且能够阻挡来自地面的大量干扰信号,它将为低频射电观测提供一个绝佳的环境。

  嫦娥四号信号中继星卫星“鹊桥”号。图片来源:参考文献

  NCLE将展开不同的天文观测试验,包括绘制全天射电图用于研究银河系,检测太阳风暴和来自行星的射电脉冲,最终将尝试探测大爆炸后宇宙中出现的第一束光。

  鹊桥号还会携带中山大学研制的激光反射器进行激光测距试验,为未来在空间探测引力波的“天琴计划”做先导性研究工作。

  “天琴计划”是我国首个空间引力波探测计划。图片来源:NASA

  除了鹊桥号以外,长征四号丙火箭的这次发射,还将带上总重91千克的另外两颗微卫星,那就是哈尔滨工业大学研制的“龙江一号”和“龙江二号”。

  火箭发射后,鹊桥号中继星将飞向地月L2轨道,两颗龙江号微卫星则将进入一条长椭圆轨道,环绕月球进行编队飞行。这两颗卫星将构成超长波干涉仪,利用各自1米长的天线,在低于30兆赫兹的波段进行天文观测。

  不仅如此,一颗龙江号微卫星上还将携带沙特阿拉伯提供的微型光学相机,进行地月空间拍照成像。

  现在,鹊桥号中继星正在日夜兼程,前往比月球更远的地方,在地球和月球背面之间架起一条通信链路。不久后,嫦娥四号也将启程前往月球,完成人类首次在月球背面着陆的壮举。

  希望,作为先遣部队的鹊桥号,此行一路顺利!

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