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“嫦娥奔月”为何先架鹊桥?中继卫星有何特殊能力?想知道的这都有

嫦娥奔月为何先架鹊桥?中继卫星有何特殊能力

昨日5点28分,“鹊桥号”在西昌卫星发射中心由长征四号丙火箭发射升空。国家航天局供图

昨天早晨5点28分,“嫦娥四号”探月任务迈出了第一步——中继通信卫星“鹊桥号”在西昌卫星发射中心升空。“鹊桥号”将飞过月球,最终到达地月拉格朗日L2点,最远距离地球约46万公里。

据悉,这是我国将在年底择机实施“嫦娥四号”月球探测任务的“先声”。由于“嫦娥四号”探测器将在月球背面软着陆,无法直接与地球通信,能同时“看到”地球和月球的“鹊桥号”,将建立“嫦娥四号”与地球间的通信和数传通道。

昨天,长征四号丙火箭飞行25分钟后,将“鹊桥号”直接送入近地点高度200公里、远地点高度40万公里的预定地月转移轨道。“鹊桥号”将经中途修正、近月制动和月球借力,完成“L2点”捕获、轨道修正后,最终进入环绕地月“L2点”的使命轨道。

释疑1

中继卫星有何特殊能力?

曾助中国航天员在太空为中小学生“上太空课”

中继卫星属于通信卫星,被形象地称为“卫星的卫星”,因为它们的任务是为卫星、飞船等航天器传输数据。

我国中继卫星已经历十余年发展,主要是“天链”系列,首发星是10年前发射的天链一号01星。2011年至2012年,天链一号02、03星相继发射,中国成为世界第二个拥有对中、低轨道航天器全球覆盖的中继卫星系统的国家。

其后的“神舟”飞船和“天宫”空间实验室任务中,借助“天链一号”,航天员顺利进行了天地通话、天地双向视频通话、与地面同步收看电视新闻等。2013年,航天员王亚平在“天宫一号”中为全国中小学生上了一堂“太空课”,借助的也是“天链一号”强大的信号中继功能。

据美国航空航天学会会员、“小火箭”科普平台创始人邢强介绍,在人类太空探索史上,比较有名的中继卫星是“2001火星奥德赛号”,该卫星2001年10月24日进入火星轨道,2002年2月19日开始执行任务,我们熟知的“勇气号”和“机遇号”两辆火星车拍摄的火星照片和化验的火星样本数据,有85%是以“2001火星奥德赛号”作为通讯中继传回地球的。

释疑2

“嫦娥奔月”为何先架“鹊桥”?

“嫦四”将在月球背面着陆,“鹊桥号”能助其与地球联络

在月球背面着陆,通信是绕不开的问题。

由于月球公转周期与自转周期相同,月球只能永远以同一面朝向地球。邢强对记者介绍,约41%的月面无法被地球直接观测到,当飞行器飞到月球背面,就难以和地球进行通信,这也是长期以来人类探测器从未在月球背面着陆的主要原因。

而中国嫦娥四号探测器将创造历史,计划今年年底降落在月球背面南极附近的艾特肯盆地,并开展月球巡视勘察。

记者了解到,搭一座“鹊桥”,就建立了“嫦娥四号”与地面测控网络的联系。“鹊桥号”所在位置,既能“看到”月球背面,也能“看到”地球。利用中继星实现地球与月球背面的通信,这在世界范围内是第一次。

释疑3

为何定位于地月“L2点”?

相对地月静止,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖

“鹊桥号”将为月球背面的着陆任务传输信息,其位置必须位于月球背面。那么“鹊桥号”的最佳位置在哪里?

科学家为其选择了地月拉格朗日L2点附近。宇宙中两个天体之间的作用力可用万有引力描述,用牛顿的理论就能算得天体的运行轨道。而三个天体之间的作用力关系非常复杂,很长时间内人类难以求解。科学家们渐渐发现,三个天体中有一些点的位置很特殊,在这些点上,最小的天体相对于两个大天体基本保持静止。瑞士科学家欧拉和法国科学家拉格朗日一共算出了5个这样的点,即L1~L5点,也称为拉格朗日点或平动点。

5个点中,“L2点”位于两个大天体球心连线延长线且靠近小天体一侧。“鹊桥号”的使命轨道就是地月“L2点”环绕轨道,它位于月球背面一侧,距月球约6.5万公里。由于地月距离是变化的,“L2点”与月球的距离也是变化的,最大距离不大于8万公里,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

邢强解释,地月“L2点”是个“有趣”的位置,在这里,中继星绕地球转动的周期与月球绕地球转动的周期相同。通过巧妙的设计,维持“L2点”的位置所消耗的燃料较少,太阳能帆板的效率也因少受阴影影响而较高。

■ “鹊桥号”世界之最

拥有深空探测器最大口径通信天线

随着人类深空探测的脚步越走越远,建立远距离数据通信链路是世界各国都在致力发展的深空探测关键核心技术。

通信能力与天线的“本事”密不可分。“鹊桥号”上架设了一副展开后口径近5米的伞状天线,这是人类深空探测史上最大口径的太空通信天线。

该天线为“鹊桥号”和地球之间铺设了一架高速桥梁,每时每刻将宝贵的科学数据从遥远的外太空送达地球。

激光测距试验或史上距离最远

激光测距试验,是指通过激光进行星地距离的科学测量。其原理是将激光束射向放置在卫星表面的角反射镜,通过发送、接收的时间差计算出星地距离。

历史上最远距离的激光测距试验发生在地月之间,1969年“阿波罗11号”在月球上放置了一套激光测距反射镜阵列,从那以后,美国、法国、日本、中国等国科学家先后完成了地月激光测距试验。

如今,在距地球最远约46万公里的地月L2点附近,“鹊桥号”也携带了一台激光反射器。与地月激光测距不同,让地球观测台站发出的激光波束准确找到46万公里外高速飞行的“鹊桥号”难上加难。但中国科学家已经找到了解决方案,不出意外,“鹊桥号”将使人类激光测距的纪录再增加约8万公里。

有了这条“天路”,不用担心落在月球背面的嫦娥四号失联了

“嫦娥”未动,“鹊桥”先飞。今天一早,备受瞩目的嫦娥四号中继卫星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功升空,并进入近地点高度200公里,远地点高度40万公里的预定地月转移轨道。后续,“鹊桥”经中途修正、近月制动和月球借力,并完成L2点捕获、轨道修正后,将最终进入环绕地月拉格朗日L2点的使命轨道。

“鹊桥”是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星。为何要发射发射这样一颗中继卫星,并将其定点于L2点?它将给年底发射的嫦娥四号探月卫星起到怎样的作用?

完成月球背面着陆壮举

从“鹊桥”的学名“嫦娥四号中继卫星”,就可得知,其发射起源于嫦娥四号探月任务。那么先来说说嫦娥四号。

嫦娥四号是嫦娥三号的备份,两者设计得几乎一模一样。嫦娥三号于2013年发射升空后,成功地将登月探测器降落在月球表面,并且释放出玉兔月球车,圆满完成了“观天、看地、测月”的科学探测和其它预定任务。因此,如何确定嫦娥四号的任务目标就显得非常重要。

此前,航天专家叶培建表示,我国从无人探月到载人登月要结合起来,现在无人探月的技术还不能够支撑载人登月,而载人登月的技术缺乏一些基础准备,两者必须要结合起来。他认为探月将来还有很多事要做,这就带来一个问题:嫦娥三号的备份嫦娥四号将来干什么?据透露,相关部门曾用两年时间论证,核心是嫦娥四号要落在月球正面还是背面?很多人都认为要落到月球正面,比较牢靠;还有一种观点认为,我国之前已经落到过正面了,再去落一次意义不大。

最终,国防科工局综合考虑国际前沿、科学价值、经济和技术可行性等因素,确定了月球背面软着陆和巡视勘察的总体方案。

作为地球人心目中的神秘地带,月球背面长久以来备受瞩目。这里永远背对地球,难以直接观测,也因此在人们的幻想中成为了各式外星传说上演的热门区域。尽管冷战年代前苏联探月任务已经首次成功拍摄到月球背面图像,但这场人类第一次探月高潮却未能触及人造探测器在月球背面的着陆。

如今,嫦娥四号将完成这一历史壮举。

定位L2点有何讲究

人类首次月球背面着陆探测的重任落在了嫦娥四号身上,但问题也随之而来。到月球背面并不容易,其中一大难题就是通信。

由于被地球潮汐锁定,月球只能永远以同一面朝向地球。人类在地球上不仅从未见过月球背面,通信信号也会被阻隔。如何解决通信难题呢?专家论证,最好的办法就是在地月拉格朗日L2点布置一颗中继卫星,既能看到月球背面,也能看到地球,可以提供嫦娥四号软着陆及月面工作期间,地面给予的测控支持。

地月拉格朗日L2点到月球的平均距离约为6.5万公里,距地球40多万公里。将鹊桥定位于L2点有何讲究?

众所周知,自从牛顿提出万有引力定律以来,人们将其运用于计算太阳系中天体的位置。但是万有引力定律描述的都是两个天体之间的关系,在只有两个天体的情况下,用牛顿理论可以很容易地得到天体的运行轨道,但是三个天体之间的作用力关系非常复杂以至于难以求解,称为三体问题。瑞士科学家欧拉和法国科学家拉格朗日针对三体问题,求解出了五个特殊解,即L1-L5点,也称为拉格朗日点。由于其特殊的空间位置和动力学特性,拉格朗日点成为开展空间探测的最佳位置。

简单来说,在地月L2点轨道具有以下优点:一是在此处地球和月球的引力之和使得中继星与月球同步绕地球运行,因此中继星能够连续对地球和对月球背面同时可见,提供全时段中继服务;二是光照条件好,航天器很少被地球或月球遮挡;三是此处受地球和月球的影响小,中继星长期运行所需轨道维持量较小,说白了就是节省燃料。

按照计划,今天升空并将在后续经过约4-5天的飞行后,“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天的时间内,“鹊桥”将进行2次中途修正和3次捕获控制,进入Z向振幅约1.3万公里绕地月L2点的Halo轨道。

可在零下200℃“死而复活”

根据设计,“鹊桥”卫星将在L2点做拟周期运动,通过定期轨控保持轨道的稳定性。由于地月距离是变化的,L2点距离月球的距离也是变化的,通过对使命轨道的设计,“鹊桥”与月球的距离不大于8万公里,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

地月连线的“天路”铺设好后,要确保远距离数据通信的畅通,就要看中继卫星“鹊桥”自身的本领了。

中继星基于CAST100卫星平台设计,发射质量约为448公斤,工作寿命不小于3年。据“鹊桥”的制造者中国空间技术研究院介绍,为了实现和保障“鹊桥”中继功能的顺利实现,研制人员给它配备了多副天线。其中,大口径伞状天线是最关键的一副,它直接指向月球,将与今年底发射的嫦娥四号探测器对接,不仅要将地面的测控指令说给探测器听,还要听清楚探测器给中继星说了什么。

伞天线,顾名思义,像一把伞一样,在中继星与火箭分离一段时间后,这把“伞”就打开了,这把“伞”在太空中需要经历严酷的考验。“鹊桥”在浩瀚的太空中还会经历一段没有光照的阴影区,阴影区的温度是-200℃左右,最冷的地方将达到-230℃,在如此严寒下,伞天线全身都会被“冻僵”。为了让它从“冻僵”的状态中恢复过来,设计师们做了包括力学、热学等不计其数的试验,可有效保障伞天线能够克服严酷环境。

“鹊桥”,源于牛郎织女的民间传说,每年七夕各地喜鹊都会在银河上架起桥梁,供他们相聚。如今,我国的航天设计师把传说变为现实,在人类探索宇宙的征程上又迈出重要一步。按照计划,“鹊桥”将在今年年底等待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”将正式提供中继通信服务,为地球和月球搭建一条跨越40多万公里的通信“桥梁”。(新京报、解放日报)

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责任编辑:何艳

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