“嫦娥”未动,“鹊桥”先行。

我国的第四个探月任务,嫦娥4号的中继卫星鹊桥于今天(2018年5月21日)在西昌卫星发射基地,由长征4号丙(CZ-4C)运载火箭发射升空。

鹊桥号发射成功。来源:中国航天科技集团

在今年4月24日的“中国航天日”主场活动开幕式上,这颗中继卫星被赋予了一个恰如其分的名字——“鹊桥”。

中继卫星是做什么的?

我国的嫦娥4号计划着陆于月球背面南极艾肯盆地内的冯·卡门陨石坑(中心位置44.8°S,175.9°E)中,并释放月球车进行探测。

图:月球背面的冯·卡门撞击坑。来源:参考文献[1]

这是人类首次尝试着陆月球背面。

但由于月球的自转和公转周期相同(这是月球被地球的引力逐渐锁定的自然结果,太阳系中众多大卫星都处于这样的状态,甚至系外行星中都有很多都已被母恒星锁定),地球上的人类始终只能看到月球的正面,地面基站自然也只能收到来自月球正面的信号。

图:已被潮汐锁定的月球。制图:haibaraemily

不过,这对很多月球观测都是没什么影响的——因为轨道器是会一圈一圈绕着月球飞的嘛,飞到背面时测到的数据,飞到正面时再传回来就好了,只是有点延时而已,不是事儿。事实上,人类在月球探测非常早的时期就已经拍摄到月球背面的照片了——1957年,人类第一颗人造卫星斯普尼克1号进入太空;1958年,人类开始月球探测;1959年10月7日,苏联的月球3号就已经传回了第一张月球背面的影像。

(左)为纪念苏联拍到月球背面的第一张影像发行的邮票;(右)为当时传回的第一张月球背面影像,左边的暗色区域分别为危海、史密斯海、界海,下方为南海,右上为莫斯科海。来源:维基。

但有些需要实时保持联络的探测项目就出问题了。

比如激光测月就是不行的。激光测月就是在月球上安装激光反射棱镜,通过从地球上打激光去月球并接收反射回来的激光,就可以精确测量地球和月球的距离和距离的变化,并用来推测与之相关的各种地球物理参数——这东西装在月球背面显然是不行的。

(左)人类迄今为止安装在月球上的所有激光反射棱镜,目前只有美国的阿波罗11、14、15和苏联的月球21号安装的共4个棱镜还在工作中;(右)阿波罗14号在月球表面安装的激光反射棱镜。来源:NASA

重力测量也是不行的。行星的重力场测量通常采用无线电信号的多普勒频移来计算,这就需要时刻保持多普勒信号的跟踪,不能中断。所以一旦探测器飞到了月球背面,就测不成重力了……怎么办?凉拌。没有就是没有。事实上,直到1998年的月球探勘者号探测器,也就是人类开始探索月球的40年后, 都没有办法直接测量月球背面的重力场信息。

这个问题直到2007年日本的月神1号探测器采用了一颗中继卫星(Rstar)才得以解决。再到2011年NASA的GRAIL重力探测器,直接发射了两颗卫星一前一后编队飞行,彼此之间再也不用担心“失联”,一举把月球全球重力场测量提高了一个量级。

(左)使用中继卫星进行月球背面重力测量的日本月神1号探测器,来源:JAXA;(右)使用双星编队飞行的NASA GRAIL探测器,来源:NASA

在月球背面释放着陆器和月球车更加不行了,别说实时通讯了,啥时候都不能通讯。所以嫦娥4号的着陆器和月球车要怎么办呢?还是要靠中继卫星。只不过,这时候的中继卫星不是为了跟踪测量,而是为了保持和地球基站的通讯了。看到这里,想必读者一定已经明白,咱们为什么要给嫦娥4号这颗通讯中继卫星取名叫“鹊桥”了吧?

嗯,纤云弄巧,飞星传恨,银汉迢迢暗度。

中继卫星要被送到哪里去?

鹊桥号将会在发射8-9天后被送入一个叫做环地月拉格朗日L2点的轨道。拉格朗日点又叫做平动点,两个天体周边一共有5个这样的点。

两个天体周边的5个拉格朗日点L1-L5。来源:维基

在这些点上,两个天体的引力综合影响达到平衡,其中L2点就是地月连线上远离地球的那个点。处于拉格朗日点附近的探测器,可以始终保持相对于两个天体几乎静止的位置,这也就意味着,可以保持稳定的通讯。

除此之外,L2点也好处多多,在这附近的探测器,不仅可以获得更多光照(也就是太阳能),而且维持轨道所需的能量还更小。

其实,在环地月L2轨道上放一颗通讯卫星,来为月球背面的任务提供通讯中继,这个想法早在1972年就已由NASA戈达德空间飞行中心的轨道设计专家Robert Willard Farquhar提出[2],但直到四十多年后的今天,才将首次由鹊桥号实现。转眼四十年,一种穿越时空的回响。

Robert Willard Farquhar在1972年提出的环L2点轨道设计,L2点与月球之间的距离约为64500千米,而中继星在一个以地月L2点为中心,半径3500千米的轨道上,做周期约14天的圆周运动[2]

中继星鹊桥号长什么样子?

鹊桥号使用的是我国空间技术研究院CAST100微小卫星通用平台,加上约100千克的无水肼推进剂燃料总共也就只有425千克重。鹊桥号机身长方体,采用板式结构,可由锂电池和太阳能板供电。顶部安装了一个直径4.2米的伞状抛物面天线作为卫星收发着陆器/月球车信号的高增益天线,也就是说在发射阶段会收拢,入轨后再打开。

鹊桥号的设计图。来源:参考文献[1]

这种方式比较节省发射空间,是中继卫星和微卫星比较常用一种天线设计方式。比如NASA的中继卫星TDRS 7和雷达微卫星RainCube都是类似的天线设计。

NASA的地球中继卫星TDRS 7(左)和雷达微卫星RainCube(右)示意图。来源:NASA

↓RainCube的高清实物图长这样(来源:NASA)

打开的过程嘛,应该跟RainCube这张差不多……

鹊桥号与着陆器/月球车之间的收发信号和数据使用X波段,与地面测站之间的收发信号和数据使用S波段(鹊桥号向地面测站传输数据也可以使用X波段)。着陆器/月球车向中继星的最大上传速率有280/560kb/s,地面测站从中继星的最大下载速率有2000/10000kb/s。同时,着陆器可以接收来自月球车的UHF波段讯息,再把这些讯息以X波段传回给鹊桥号。着陆器/月球车向中继星的上传速率最大有280/560kb/s,地面测站从中继星的下载速率最大有2000/10000kb/s。

中继星(relay satellite)与地面测站(ground satiation)/着陆器(lander)/月球车(rover)之间的通讯链路。来源:参考文献[4]

中继星鹊桥号带了哪些科学仪器?

除了通讯中继这个主任务之外,为了充分利用月球背面的绝佳地理位置,鹊桥号还带了两件宝贝:

一件是与荷兰合作研发的低频射电探测仪(NCLE)。由于大气层和电离层的干扰,地球上的测站几乎无法进行低频射电天文观测,而月球背面这块风水宝地,可以很大程度上屏蔽这些干扰。鹊桥号携带的NCLE仪器,将在处于月球背面的L2点附近进行射电天文测量、太阳风暴和行星无线电脉冲探测等一系列实验性的天文实验。

通过测试验收的中荷低频射电探测仪(NCLE)。来源:[email protected]_NL

另一件是170毫米孔径的激光角反射镜。前面我们说过,月球背面上的测站是无法进行激光测距的,但地月拉格朗日L2点可以呀!在这里架设的激光反射镜,不仅不会被月球遮挡,而且还可以测到比月球正面的几个激光反射棱镜离地球更远的距离。配合地面0.5米口径的激光发射望远镜和1米口径的激光接收望远镜,预计可以达到精度优于15毫米的单程测距,测距结果还可以帮助鹊桥号进行轨道校验[1]。

激光角反射镜工作原理图。来源:参考文献[1]

除了鹊桥号,这次还会顺带捎点啥?

由于执行此次鹊桥号发射任务的长征4号丙(CZ-4C)运载火箭尚有余力,这次还将一同发射两颗微卫星,这两颗微卫星由哈尔滨工业大学负责研发,因此取名叫龙江1号和龙江2号。

龙江1号和2号卫星结构图。来源:参考文献[3]

龙江1号和2号将被送入一个距离月球300千米×3000千米的环月椭圆轨道,然后一前一后编队飞行,以相距1~10千米(基线长度)的距离进行超长波天文干涉测量等实验。其中一颗微卫星还搭载了一台沙特阿拉伯研制的微型光学相机。

龙江1号和2号一前一后编队飞行。来源:参考文献[3]

而嫦娥4号的主角,着陆器和月球车,将于鹊桥号发射半年之后的12月发射升空。鹊桥号的设计寿命长达五年,也就是说,除了给设计寿命分别为6个月和3个月的嫦娥4号的着陆器和月球车提供中继服务之外,这颗卫星还将会继续在环地月拉格朗日L2点轨道上运行很久,给接下来国内外的月球背面探测任务提供中继服务。

PS:本文首发于本人公众号“永结无情游相期邈云汉”(haibaraemily_planets)。

本文感谢知友 @鸑鷟鹓鶵@太空精酿 对本文内容提升所做的帮助。

参考文献

[1] 吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, & 张玮等. (2017). “嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计. 深空探测学报, 4(2), 111-117.

[2] Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.

[3] 张锦绣,陈学雷,曹喜滨,等. 月球轨道编队超长波天文观测微卫星任务[J]. 深空探测学报,2017,4(2):158-165.

[4] Ye, P., Sun, Z., Zhang, H., & Li, F. (2017). An overview of the mission and technical characteristics of Change’4 Lunar Probe. Science China Technological Sciences, 60(5), 658-667.

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:haibaraemily

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