嫦娥四号中继星升空 揭月球背面中继通信三大问题

长征四号丙火箭发射鹊桥号

长征四号丙火箭发射鹊桥号

厂房中的鹊桥号卫星

厂房中的鹊桥号卫星

今天(5月21日)清晨5点28分,我国嫦娥四号探月任务迈出了第一步——中继通信卫星“鹊桥号” 在西昌卫星发射发射升空。“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。

这是我国将在年底择机实施的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降落,无法直接与地球通信,能同时“看到”地球和月球的“鹊桥号”,将建立嫦娥四号着陆器和巡视器与地球间的通信和数传通道。

今晨,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。

此次发射搭载了由哈尔滨工业大学研制的两颗月球轨道编队超长波天文观测微卫星“龙江一号”“龙江二号”。“鹊桥号”和微卫星还将利用荷兰研制的低频射电探测仪、沙特研制的月球小型光学成像探测仪、中山大学研制的激光角反射器等有效载荷,开展科学探测试验。

世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星、世界最大口径深空探测通信天线……“鹊桥号”体量虽小,但拥有诸多创举,记者采访卫星研制方和专家对该卫星作了解读。

释疑1、为何嫦娥奔月要先架“鹊桥”?——为了实现月球背面与地球的通信

由于月球绕地球公转的周期与月球自转的周期相同,月球只能永远以同一面朝向地球。美国航空航天学会会员、“小火箭”科普平台创始人邢强博士向新京报记者介绍,约41%月面无法被地球观测到,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,开展月球巡视勘察。

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实现。

释疑2、鹊桥号为何定位在地月拉格朗日L2点?——既在月球背面又相对地月静止

鹊桥号将为月球背面的着陆任务传输信息,那么其位置必须位于月球背面。然而,在月球背面面向的茫茫宇宙中,鹊桥号的最佳位置是什么?

科学家为其选择了地月拉格朗日L2点附近。

何为拉格朗日L2点?宇宙中两个天体之间的作用力可用万有引力描述,用牛顿理论很容易就能得到天体的运行轨道。而三个天体之间的作用力关系非常复杂,称为三体问题。

在三个天体中,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。

“鹊桥号”研制人员表示,由于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,很多科学卫星都运行在拉格朗日点附近的轨道上。

在5个地月拉格朗日点中,“鹊桥号”的使命轨道,为月球背面一侧的地月L2点环绕轨道。地月L2点位于地月球心连线上靠近月球的一侧,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。

为何选择L2点?美国航空航天学会会员、“小火箭”科普平台创始人邢强博士解释,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。

释疑3、中继星有何特殊能力?——中国中继卫星帮助航天员实现天地通话

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。

我国中继卫星已经经历了十余年发展,主要为“天链”系列,首发星是10年前发射的天链一号01星。2011年、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中继卫星系统的国家。

在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”、航天员与地面同步收看电视新闻。2013年,航天员王亚平在天宫一号中向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,我们耳熟能详的“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中,有85%是以“2001火星奥德赛号”作为通讯中继传回地球的。

延展:鹊桥号的世界之最

人类深空探测史上最大口径通信天线

随着人类深空探测的脚步越走越远,如何建立远距离数据通信链路,是世界各国都在致力解决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达近5米的伞状天线,这是人类深空探测器历史上最大口径太空通信天线。

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。

人类历史上最远距离激光测距试验

激光测距试验,指的是通过激光进行星地距离的科学测量。其原理是将具有高度同向性脉冲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,在最远距地球约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,卫星时刻飞速运行,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。

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本文标题:嫦娥四号中继星升空 揭月球背面中继通信三大问题
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作者授权:除特别说明外,本文由 陈双义 原创编译并授权 陈双义博客 刊载发布。
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