5 月 21 日凌晨 5 点 28 分,嫦娥四号任务的中继卫星“鹊桥”在西昌卫星发射中心发射升空。“鹊桥”的名字典出牛郎织女的神话。

在此之前还没有其它中继卫星实现地球和月球背面的通信,鹊桥的升空也将成为 2018 年嫦娥四号月球背面探测任务的关键。

中继卫星属于通信卫星,相当于“卫星的卫星”,它为卫星、飞船等航天器提供数据传输和测控支持。而为了实现和月球背面的通信,中国国家航天局决定发射一枚中继卫星来解决这个问题。

厂房中的鹊桥号卫星。 图片来自航天科技集团五院

由于地球对月球的潮汐锁定,月球的公转和自转速度一样快,都是 27.3 天。因此整个月球只有约 59% 的月面能在地球上直接观测,而剩下的 41% 笼罩在阴影中,通信信号也被阻隔。

但这 41% 拥有独特的科研价值。中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁表示:“月球背面避开了来自地球的大量电磁干扰,处于一种电磁波’宁静区’。在这样的洁净环境中,探测器可以接收到更多微弱信号,例如宇宙形成早期发出的短波。”

宇宙大爆炸之后的几十万至几亿年的时间被称为宇宙“黑暗时代”,整个宇宙中只有中性的氢,发光的第一代恒星尚未形成。通过倾听黑暗宇宙时代留下的蛛丝马迹——围绕氢原子旋转的电子偶尔会改变旋转方向,辐射 1.4GHz 的电磁波,经过130 多亿年宇宙的膨胀,这个频率产生了红移,降低到 30MHz 以下——最好的办法就是去到月球背面。

图片来自央视新闻

目前全球进行过的 120 多次月球探测活动从未登陆过月球背面。

1959 年,苏联月球探测器 Luna 3 首次拍摄到了月球背面的照片。人类在 1968 年跟随美国阿波罗 8 号首次目睹月球背面。而在嫦娥一号和二号的绕月过程中,都已经拍摄月球背面的全图,通过这些照片科学家发现,月球背面的地形比正面远为复杂,山谷众多。

1959 年人类拍摄的首张月球背面照片,图片来自 NASA
阿波罗 1968 年在月球的视角拍下的地球照片。图片来自 NASA

中科院国家天文台研究员郑永春解释说,这是因为月球曾被大量小行星撞击,形成了很多深坑,看上去就是大量的环形山。吴伟仁则打了个比方,嫦娥三号着陆的月球正面相当于在华北平原,嫦娥四号就是要去云贵川的崇山峻岭。

所有的探测任务都需要实时和地球通信,这就需要用到中继卫星鹊桥。

鹊桥的质量 425 千克,预计寿命 5 年以上,本体是长方体,顶部的抛物面天线如同一把大伞,进入太空后会自动打开,为地球和月球间搭建一条跨越 40 多万公里的桥梁。

这些伞状天线展开后口径达近 5 米,是人类深空探测器历史上最大口径的太空通信天线。

鹊桥由长征四号丙运载火箭送入近地点约 200 公里、远地点约 40 万公里的地月转移轨道,经过约 4-5 天的飞行,将抵达距离月面高度约 100 公里的近月点并进入晕轨道,最终来到位于地球、月球延长线上的地月拉格朗日 2 点。

拉格朗日点就是在两大物体引力作用下,能使小物体稳定的位置,到了拉格朗日点就可以和地球、月球保持相对稳定的状态,同时也节省燃料。抵达后,鹊桥将围绕拉格朗日 2 点飞行,周期约为 14 天。

另外,此次发射任务还将搭载两颗哈尔滨工业大学研制的小卫星,名为龙江一号、龙江二号。小卫星将实现月球轨道环绕编队飞行,并展开超长波天文观测等研究。项目将在低于 30MHz 的超长波段进行空间天文观测,打开人类认识宇宙的新的窗口。

如果鹊桥工作正常,中国将在 2018 下半年发射嫦娥四号探测器,降落地点是月球南极附近的艾特肯盆地。

目前,中国的探月工程三步计划已经完成两步。2013 年,嫦娥三号的月球软着陆让中国成为第三个实现这一成果的国家。嫦娥四号的计划是携带马铃薯等植物的种子到月球,最终的计划是建立一个太空前哨站。

中国航天局已经计划于 2019 年发射嫦娥五号开展月球采样返回任务。如果嫦娥四号在月球背面发现有价值的线索,可以留待五号或六号去月球背面采样。

据悉,嫦娥四号任务已确定搭载 4 台国外科学载荷,分别是荷兰低射频电探测仪、德国月表中子与辐射剂量探测仪、瑞典中性原子探测仪和沙特月球小型光学成像探测仪。

题图来自中国国家航天局

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