鹊桥是如何飞到地月L2附近的?龙江号怎么样了?

北京时间201861411:06,在长达24天的旅程之后,嫦娥4号的通讯中继卫星鹊桥成功进入预定的使命轨道。

24天,对于探测器从地球到月球来说,可以说是非常长了,事实上,月球轨道器(也就是最终要环绕月球飞行的探测器)通常4-5天也就能到达月球并且进入月球轨道。

那么鹊桥为什么路上花了这么久时间?这还得从鹊桥的特殊轨道说起。

之前咱们介绍过,因为地球无法直接和月球背面通讯,而嫦娥4号又计划去着陆月球背面,于是通讯中继卫星鹊桥应运而生。为了更好地为地球和月球背面的着陆器/月球车提供通讯,鹊桥选择了一个非常特别的轨道——环地月拉格朗日L2点轨道,也叫L2 halo轨道或者晕轨道。关于鹊桥的详细介绍看这里:嫦娥4号中继星“鹊桥”发射成功:一桥飞架南北,天堑变通途

鹊桥的设计位置。来源:参考文献[1]

鹊桥号:漫漫长路,经历了些什么?

把一只大象放进冰箱里需要几步?

三步:把冰箱门打开,把大象放进去,把冰箱门关上。

把鹊桥卫星送到地月L2 halo轨道需要几步?

也是三步:从地球飞到月球轨道,从月球轨道飞到L2点附近,从L2点附近飞进L2 halo使命轨道。

Step 1:从地球飞到月球轨道

2018521日,鹊桥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,之后直接被送入地月转移轨道。也就是说,鹊桥并没有经过地球停泊轨道或者像嫦娥1号那样经过调相轨道后再送入地月转移轨道,这很大程度上有赖于我国运载火箭能力和轨道控制技术的提升。

嫦娥1号经过三次调相轨道来慢慢增加轨道周期(也就是近地点速度),以达到更稳定地进入地月转移轨道的目的。作为我国的第一个探月任务,这在当时是一种谨慎而稳妥的飞行方案。而之后的嫦娥2号、3号和这次的鹊桥号,都是直接发射之后就送入地月转移轨道的。来源:新华社

从地球到达地月L2点附近,目前我们通常考虑两种飞行方案:

一种是直接转移direct transfer),就是从地球(或者地球停泊轨道)直接经过地月转移轨道飞到L2点附近。

Farquhar (1971)设计的一条直接转移轨道。来源:参考文献[2]

另一种是月球绕掠lunar swing-by),也就是飞经月球是借助月球引力“拐个弯”再飞到L2点附近。这种方式比直接转移要节省燃料,当然,作为代价,时间上就会略长几天。

Farquhar (1971)设计的一条月球绕掠轨道。来源:参考文献[2]

对无人探测任务来说,路上多走一两天时间根本不是事儿,而节省燃料就重要多了,因此鹊桥采用了第二种方案,也就是月球绕掠(lunar swing-by)飞行。在这种方案下,鹊桥的地月转移轨道是一个近地点200 km,远地点月400000 km的大椭圆轨道,这种方案通常需要4-5天到达月球轨道,并需要在途中进行2-3次轨道修正。

其实还有更加节省能量的方案,不过时间就一下子长多了,要三个月到半年才能到月球,这对目前的月球探测任务来说有点没有必要,不过,将来如果需要运载大量物资去月球,倒是可以采用这种方式。

5月22日,鹊桥进行了第一次轨道中途修正

5月25日21:32,鹊桥在以距月球表面100 km的距离最近飞掠月球时点火刹车,随后关闭发动机。21:48,鹊桥确认完成近月制动并成功进入月球-L2转移轨道。也就是说,由于火箭发射和轨道控制的精确,原本计划的三次轨道中途修正,最后只用一次就修到位了。

鹊桥的设计飞行轨迹。原本计划从地球到近月制动期间要进行三次轨道中途修正,但后来只修了一次(紫色段为地月转移轨道)。此外,红色段为月球-L2转移轨道,橙色和蓝色段为L2捕获轨道,绿色段为最终的L2 halo使命轨道。来源:CASC

Step 2:从月球轨道到地月L2点附近

5月29日,鹊桥结束了为期4天的月球-L2转移轨道,成功进入L2捕获轨道。至此,鹊桥实际上已经到达了地月L2点附近,接下来需要做的就是不断调整轨道来进入最终的L2 halo使命轨道。

Step 3:从地月L2点附近到进入L2 halo使命轨道

6月14日11:06,鹊桥在完成最后一次点火制动后成功进入距离月球约65000 km的L2 halo使命轨道

鹊桥成为世界首颗运行于L2 halo轨道的月球通讯卫星。

接下来,鹊桥将在halo轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路测试。

鹊桥在使命轨道上和地球、月球背面通讯的模拟图。来源:CASC

龙江2号:成功从月球背面传回影像

而平行世界中的微卫星龙江1号和2号就并不总是那么顺利了。

5月21日,与鹊桥一同成功发射的龙江1号和2号在星箭分离之后就迅速和鹊桥分开了。然而,此后只有龙江2号(DSLWP-B)的信号被一些无线电和卫星跟踪爱好者们跟踪到,而龙江1号似乎失联了

龙江2号(DSLWP-B)的无线电信号被业余爱好者跟踪到。来源:Twitter @uhf_satcom

后经国防科技工业局的官方网站公布[3],经过113个小时的飞行,5月25日22时,只有龙江2号在预定的轨道修正和近月制动后成功进入近月点350千米、远月点13700千米的环月轨道,而龙江1号由于在地月转移轨道飞行过程中出现控制异常,遗憾未进入月球轨道

也就是说,原本计划的双星编队飞行和变基线射电干涉测量将无法完成,只能进行单卫星低频射电探测了。但幸运的是,由沙特阿拉伯研制的微型光学相机是搭载在龙江2号上的

5月26日,低频射电探测仪首次开机,开始探测1-30MHz的射电天文信息,全面开展全天空辐射谱等试验与科学研究。

5月28日,沙特的光学相机首次开机,成功从月球背面的轨道上获取了地球和月球表面和的可见光影像。

首批传回的龙江2号从月球背面拍摄的地球照片。(左)拍摄于卫星轨道高度约1598.3 km,星下点月面位置为西经162°13’、北纬21°27’。拍摄到的月面影像位于月球背面北半球韦格纳环形山(Crater Wegener)附近;(右)拍摄于卫星轨道高度约728.1 km,星下点月面位置为西经149°1’,北纬22°28’。拍摄到的月面影像位于月球背面北半球彼得罗帕夫洛夫斯基M环形坑(Crater Petropavlovskiy M)附近。来源: 国家航天局/新华网[4]

嫦娥4号:整装待发

而嫦娥4号的主角,着陆器和月球车,将于半年之后的12月发射升空,计划着陆在月球背面南极艾肯盆地一带的冯·卡门陨石坑中。

这将是人类首次试图着陆月球背面并进行科学探测。

鹊桥(白色)和嫦娥4号(绿色)的发射和飞行路径。来源:CASC

拓展阅读

嫦娥4号中继星“鹊桥”发射成功:一桥飞架南北,天堑变通途月球探测六十年

致谢

本文感谢@Robotlee和学会会场被我追着问问题的几位工程师老师,感谢知友 @天才琪露诺@鸑鷟鹓鶵@ZX Huo 对本文内容提升所提供的帮助,本文还要感谢本届世界杯,让我可以在凌晨2点也能轻易找到帮我审稿的小伙伴…

本文首发于我的微信公众号“永结无情游相期邈云汉”(haibaraemily_planets)。

参考

[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] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19710021579.pdf

[3] http://www.sastind.gov.cn/n112/n117/c6801910/content.html?from=singlemessage&isappinstalled=0

[4] http://news.syd.com.cn/system/2018/06/14/011648213.shtml

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:haibaraemily

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