Notice: Undefined index: HTTP_ACCEPT_LANGUAGE in /var/www/wordpress/wp-content/plugins/wp-super-cache/plugins/wpcc-wp-super-cache-plugin.php on line 77 “鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的? - 壹头条

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  出品| 網易新聞

  作者| 東方宇文,航天學者

  2018年,中國航天掀起了前所未有的發射高潮,僅上半年就已完成了18次航天發射,全年更是有望完成超過40次的航天發射。其中包括髮射10多顆北斗三號導航衛星、張衡一號電磁監測試驗衛星等影響廣泛的先進人造地球衛星。但是,最引人矚目的還是一個多月前發射的“鵲橋”月球中繼衛星和計劃年底升空的嫦娥四號落月探測器,因為它們在世界航天史上都是第一次,預示著我們即將在月球的背面展開探索的新天地。

  (一)嫦娥四號為何要去月球背面?

  1、“背面沒去過!”

  中國探月工程又叫“嫦娥工程”,分繞月探測、落月探測和取樣返回探測,即“繞、落、回”三個發展階段實施。原定計劃是:嫦娥一號繞月探測器用於完成繞月探測,嫦娥二號是嫦娥一號的備份;嫦娥三號落月探測器用於完成落月探測,嫦娥四號是嫦娥三號的備份;嫦娥五號取樣返回探測器用於完成取樣返回探測,嫦娥六號是嫦娥五號的備份。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (嫦娥一號所拍攝的月面三維立體圖)

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (嫦娥二號在國際上首次實現對圖塔蒂斯小行星近距離探測)

  但在工程實施的過程中,由於嫦娥一號繞月探測器圓滿完成了預定任務,所以作為其備份的嫦娥二號改為用作探月第二階段的技術先導星;此後,嫦娥三號落月探測器也出色完成了預定任務。這時候問題就來了,作為備份的嫦娥四號要做什麼呢?

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (嫦娥三號著陸器拍攝的玉兔號月球車)

  很多人主張嫦娥四號還是落到月球正面,這樣比較牢靠,技術風險小,免得節外生枝。但嫦娥一號總指揮兼總設計師、嫦娥系列月球探測器總指揮兼總設計師顧問葉培健院士則主張落到月球背面。他認為,落到月球背面,如果成功了是一大亮點;如果不成功,因為這是人類第一次,也可以原諒。單從邏輯學上看,落到月球背面的科學意義就是一句話:背面沒去過!葉培健院士用形象的比喻來說:嫦娥三號相當於在華北平原著陸,嫦娥四號則相當於在崇山峻嶺的雲貴川地區著陸。

  經過近兩年的論證,嫦娥四號最終將奔向月球背面,開啟探月全新旅程!

  2、對研究地球的早期歷史有重要價值

  計劃年底發射的嫦娥四號將登陸月球背面南極附近的艾特肯盆地,將世界首個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。艾特肯盆地是太陽系最大的環形山,也是個古老的區域,直徑2500千米,最深處為9000米,可能含有許多月球初始的資訊,儲存了太陽系形成之初的寶貴資訊,極具探索價值!

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (艾特肯盆地)

  且月球背面具有不同於月球正面的地質構造,多“山”多“谷”,對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。因為地球上經歷了多次滄海桑田,早期地質歷史的痕跡早已消失殆盡。因此,對月球背面開展形貌、物質組成、月壤和月表淺層結構的就位與巡視綜合探測,不僅可促進對月球早期演化歷史的新認知,對研究地球的早期歷史也有重要價值。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (月球背面有更多的隕石坑)

  3、背面是監聽宇宙深處微弱電磁訊號的淨土

  接收遙遠天體發出的射電輻射是研究天體的重要手段,稱為射電觀測。由於這些天體的距離遙遠,電磁訊號十分微弱,在地球上,日常生產生活的電磁環境會對射電天文觀測產生了顯著干擾,因此天文學家一直希望找到一片完全寧靜的地區,監聽來自宇宙深處的微弱電磁訊號。

  由於被地球潮汐鎖定(潮汐鎖定發生在重力梯度使天體永遠以同一面對著另一個天體;例如,月球永遠以同一面朝向著地球)、月球的自轉與公轉週期相同等原因,在地球上永遠看不到月球的背面。月球背面可遮蔽來自地球的各種無線電干擾訊號,因而在那裡能監測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁訊號,研究恆星起源和星雲演化,有望取得重大天文學成果。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (被潮汐鎖定的月球)

  (二)月球背面如何與地球取得聯絡?

  地球與月球背面中間永遠隔著一個月球,那落在月球背面的嫦娥四號又如何與地球取得聯絡呢?這就需要中繼衛星,也就是我們已經先行“鋪路”的“鵲橋”。

  說起中繼衛星,大家最熟知可能是2017年結束了20年使命的“卡西尼”號土星探測器。當時陪伴“卡西尼”號一路風雨同舟前往土星的還有“惠更斯”號,惠更斯”號並沒有直接和地球通訊的能力,因此“惠更斯”號的所有資料都通過“卡西尼”號中繼。簡單說,就是“卡西尼”號接收來自“惠更斯”號的訊號,而後“卡西尼”號調轉天線,向地球傳送“惠更斯”號的資訊。

  同理,“鵲橋”的名字就不用多做解釋了吧。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (“卡西尼”號為“惠更斯”號提供訊號中繼)

  那麼問題又來了,“鵲橋”究竟是如何“鋪路”的?

  在這個問題之前,我們要先知道一個概念:拉格朗日點。在天體力學中,拉格朗日點是限制性三體問題的5個特解。大致示意圖是這樣的:

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (5個拉格朗日點的示意圖,這5個點在運動中可以保持與兩個天體的相對位置不變)

  兩個天體環繞執行,在空間中有5個位置可以放入第三個物體(質量忽略不計),並使其保持在兩個天體的相應位置上。理想狀態下,兩個同軌道物體以相同的週期旋轉,兩個天體的萬有引力提供在拉格朗日點需要的向心力,使得第三個物體與前兩個物體相對靜止。也就是說,從地球(地面站)和月球(嫦娥四號)的角度來說,在這五個點上的衛星看起來是靜止不動的。

  而相比地球中繼衛星,“鵲橋”號中繼衛星則站的更高,且要探測月球背面,所以選擇的是地月拉格朗日點L2。但是如果“鵲橋”在L2點上,隔著月球,仍然無法與地球取得聯絡,所以“鵲橋”選擇在地月L2點暈軌道執行。在這個軌道上執行的“鵲橋”可以和地月保持相對穩定靜止狀態,因而能節省衛星燃料,延長壽命。“鵲橋”一年只需消耗2千克燃料,並且比執行在其他軌道都要省許多測控方面的事。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  在地月L2點暈軌道的月球中繼衛星與地球、月球的相對位置關係(圖片來源吳偉仁等(2017)改編)

  從地球到達L2點常用兩種方案:一是直接轉移,從地球直接經過地月轉移軌道飛到L2點附近;二是月球繞掠,飛經月球是藉助月球引力“拐個彎”再飛到L2點,這樣省燃料,但耗費時間長。對無人探測任務來說,路上多走一兩天時間根本不是事兒,但是節省燃料就重要多了,所以“鵲橋”採用第2種方案。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  鵲橋(白色)和嫦娥4號(綠色)的發射和飛行路徑。來源:CASC

  它分三步走,耗時24天,而一般的月球飛行器一般用時4-5天。

  第一步:5月21日,“鵲橋”升空,從地球飛到月球軌道(4天);

  第二步:“鵲橋”從月球軌道飛到地月L2點附近(4天);

  第三步:從地月L2點附近飛到地月L2暈軌道,6月14日進入使命軌道(16天)。

  至此,“鵲橋”已成為世界第一顆執行在地月L2點暈軌道的月球中繼衛星。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (“鵲橋”之旅)

  (三)“鵲橋”有何與眾不同之處?

  1、“鵲橋”裝備了具有高智慧化水平、全天候、全天時、全空域執行能力的光纖陀螺慣性測量單元,從而擺脫了之前航天器姿態敏感器需要藉助地球、太陽等天體來定位的束縛,大大提升其軌道控制能力。

  在“鵲橋”1000米/秒高速在軌飛行過程中,其速度控制精度誤差不大於0.02米/秒,這種超強的自主控制能力,讓地面實施軌道控制週期為7天左右一次,為長期穩定執行奠定了基礎。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (“鵲橋”月球中繼衛星)

  2、 “鵲橋”採用了多安全備份遙測遙控指令設計,即為“鵲橋”備好多部“手

  機”。地面工作人員可同時給這幾部“手機”打電話,發出相同的遙測指令,可有效規避“因距離遠或其他未知因素”造成的訊號中斷、資訊傳送不準確等問題。

  3、它還採用了S頻段數字化深空應答機。它是中國首臺數字化深空應答機,具有對錯誤資料自我修正的功能,其靈敏度、訊號捕獲能力等效能更為強大。

  4、裝備史上最大傘狀天線。由於嫦娥四號落月探測器體積較小,所以配備的天線也不大,通訊訊號較弱。為此,“鵲橋”的通訊分系統裝有大型傘狀高增益天線和螺旋狀中增益天線,設定了多種不同碼速率。它們具備自適應數字調節能力,從而能克服嫦娥四號訊號微弱、不穩定等帶來的訊號捕捉困難。

  “鵲橋”的最大特徵就是採用4.2米口徑的高增益傘狀拋物面天線(星載天線金屬網),這是人類深空探測任務史上最大口徑的通訊天線。該天線採用整星零動量控制方式,可以實現對地、對月、對日和對慣性空間任意目標指向與跟蹤的三軸穩定控制,為著陸器、巡視器與地面站之間的測控與資料傳輸提供了有力支撐。

  它在地、月、星之間建立了三條鏈路——對月前向鏈路、對月反向鏈路以及對地數傳鏈路,這三條鏈路可以實現“鵲橋”與後續發射的嫦娥四號探測器的雙向通訊,以及“鵲橋”與地面的通訊。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (“鵲橋”的通訊鏈路)

  5、“鵲橋”上還裝載了荷蘭的低頻射電探測儀。它能與位於地球上荷蘭境內的低頻天文陣列等地面天文觀測設施聯合,首次開展43萬~46萬千米基線的地月空間甚長基線干涉測量實驗(甚長基線干涉測量是把幾個小望遠鏡聯合起來,達到一架大望遠鏡的觀測效果)。它還將與嫦娥四號著陸器上中方研製的低頻射電頻譜儀之間形成干涉測量,有望對來自宇宙黑暗時代和黎明時期的21釐米氫譜線輻射進行探測,研究在宇宙大爆炸後的幾千萬年到一兩億年間,宇宙如何擺脫黑暗,點亮了第一顆恆星。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (荷蘭低頻射電探測儀天線)

  6、“鵲橋”攜帶了一個1.6千克、170毫米大孔徑鐳射角反射鏡,由中山大學研製。它能配合地面0.5米鐳射發射望遠鏡和1米鐳射接收望遠鏡,進行精度優於15毫米的單程測距。這是人類歷史上最遠距離的純反射式鐳射測距試驗,達46萬千米,可使人類鐳射測距的紀錄再增加約8萬千米,並承擔“天琴計劃”的先導性研究工作。其原理是將高度同向性脈衝鐳射束射向放置在衛星表面的角反射鏡,通過傳送、接收時間差計算出星地距離。目前掌握這項技術的國家不多,因為在40萬千米左右以外找到並瞄準小小的鐳射反射鏡,難如大海撈針。

“鵲橋”中繼衛星是如何給地球和嫦娥四號牽線的?

  (鐳射角反射鏡工作原理圖)

  結語

  “鵲橋”升空,邁出了中國月球背面著陸與探測的第一步。接下來就要看嫦娥四號了。嫦娥四號有三大任務:對月球背面的環境進行研究;對月球背面的表面、淺深層、深層進行研究;用低頻射電探測儀探測宇宙天體。

  而據說,嫦娥四號要實現這三項任務,需突破四項關鍵技術:一是複雜地形環境條件下的安全著陸;二是地月L2點暈軌道設計與控制;三是地月L2點遠距離中繼通訊;四是同位素溫差發電與熱電綜合利用。

  而今,“鵲橋”已經準備就位,“坐等”嫦娥四號。

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  編輯| 於冉帝

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