嫦娥四號(hào)：“鵲橋”早在那兒等著你

浩瀚宇宙，太陽(yáng)系一隅，在地球與月球之間，一座貼有中國(guó)標(biāo)簽的“鵲橋”，已經(jīng)搭建完畢，其任務(wù)是迎接到訪月球的地球客人——嫦娥四號(hào)。

多年前，它的“同胞姐姐”嫦娥三號(hào)曾探訪過(guò)。多年后的今天，嫦娥四號(hào)帶著人類(lèi)首次月球背面軟著陸巡視探測(cè)的神圣使命飛往月球。

探月之路，路途遙遠(yuǎn)；每邁一步，充滿艱險(xiǎn)。為了讓嫦娥四號(hào)遠(yuǎn)航之途平平安安，中國(guó)航天人早就做好了周密打算。

“嫦娥”未動(dòng)，“鵲橋”先行。半年多前，帶著探月中繼通信任務(wù)的“先行官”——“鵲橋”中繼星進(jìn)入使命軌道，為此次發(fā)射的嫦娥四號(hào)架起一座最長(zhǎng)的“橋”。

為什么嫦娥奔月要先架“鵲橋”？

嫦娥“隔山喊話”，地球有應(yīng)必答

提起“鵲橋”，大多數(shù)人會(huì)想到牛郎和織女的愛(ài)情故事。

為了讓牛郎和織女相會(huì)，各地喜鵲會(huì)飛過(guò)來(lái)用身體緊貼著搭成一座橋——鵲橋，牛郎和織女便在鵲橋上相會(huì)。

在我國(guó)嫦娥四號(hào)探月工程中，一款以“鵲橋”命名的中繼星，承載著這一美好寓意，實(shí)現(xiàn)了“地月傳書(shū)”。

有人問(wèn)：“嫦娥未動(dòng)，為何‘鵲橋’先行？”回答這個(gè)問(wèn)題前，我們先談?wù)勗卤持i。嫦娥四號(hào)探測(cè)器將在月球背面軟著陸，但月球背面如深處閨房的嬌羞少女一樣從不示人，由于地球和月球存在潮汐鎖定，月球的自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期完全相同。數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，人類(lèi)都只能看到月球的“正臉”，卻絲毫看不到月球背面。

雖然月球“近在咫尺”，但人類(lèi)對(duì)它依舊謎團(tuán)重重。200多年前，“科幻小說(shuō)之父”儒爾·凡爾納創(chuàng)作的《從地球到月球》，開(kāi)啟了人類(lèi)對(duì)月球的探索與想象。月球背面作為地球難以觀測(cè)的一角，在后來(lái)的科幻小說(shuō)里催生出大量的太空幻想。

直到1959年，從蘇聯(lián)的“月球3號(hào)”傳送回來(lái)的照片上， 才讓人類(lèi)有幸一睹月球背面的真容。那次任務(wù)，是具有冒險(xiǎn)性的探索。沒(méi)有中繼星，“月球3號(hào)”只能選擇被動(dòng)飛行模式。在飛過(guò)月球背面之時(shí)，地球被迫失聯(lián)，人們只能眼睜睜看著飛船從月球背面一側(cè)消失，又從另一側(cè)浮現(xiàn)。當(dāng)“月球3號(hào)”繞回月球“正臉”，才將月背照片發(fā)送給了地球。

之所以采用這種冒險(xiǎn)方式，是因?yàn)樘幵谠虑虮趁娴暮教炱鲿?huì)被月球所遮擋，地球和航天器無(wú)法取得聯(lián)系。就像兩個(gè)人“隔山喊話”，無(wú)法相互聽(tīng)到，更何況這座高山是月球。

當(dāng)然，嫦娥四號(hào)并不是月背的匆匆過(guò)客，而要在那里多住些時(shí)日。如何破解“隔山喊話”的難題？這時(shí)候，“鵲橋”中繼星派上用場(chǎng)了。

“鵲橋”中繼星能同時(shí)將地球、月球背面納入視野，從而扮演兩個(gè)原本被隔絕地點(diǎn)之間的“傳球手”。

事實(shí)上，要建起連接地球和月球、跨越40多萬(wàn)公里的“星際穿越”通信鏈路，考驗(yàn)的是每一位“隊(duì)友”通力合作、協(xié)同“跑位”、精準(zhǔn)“傳球”的能力。過(guò)去幾個(gè)月，提前進(jìn)入戰(zhàn)位的“鵲橋”中繼星，已經(jīng)進(jìn)行了中繼通信功能的在軌“訓(xùn)練”；地球測(cè)控站的“牧星人”，多次操演了任務(wù)全流程及應(yīng)急預(yù)案，他們精心守護(hù)“鵲橋”，只為等候“嫦娥”傳來(lái)的第一條月背信息。

“鵲橋”中繼星有哪些特點(diǎn)？

中繼星“新秀”，有“內(nèi)涵”、“道具”多

“鵲橋”中繼星“個(gè)頭”不大，整個(gè)“體重”只有448公斤。

別看外表不起眼，但“里子”有“內(nèi)涵”。40多萬(wàn)公里的通信距離，“鵲橋”架起的是世界上最長(zhǎng)的“橋”。

說(shuō)起“鵲橋”，容易讓人聯(lián)想到技術(shù)堪稱(chēng)成熟的“天鏈一號(hào)”中繼星。11年前，第一顆“天鏈一號(hào)”發(fā)射成功。11年間，相繼發(fā)射的4顆“天鏈一號(hào)”中繼星組網(wǎng)運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)中、低軌航天器全球100%覆蓋。

與“天鏈一號(hào)”相比，“鵲橋”中繼星有一個(gè)最大不同點(diǎn)——“天鏈一號(hào)”對(duì)數(shù)據(jù)采取透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，即不對(duì)數(shù)據(jù)做處理，保持“原汁原味”；而“鵲橋”中繼星屬于“再生轉(zhuǎn)發(fā)”，即先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“解碼”“去格式”“復(fù)接”“編碼”等處理，再發(fā)送。可以看出，“鵲橋”中繼星實(shí)現(xiàn)了全面升級(jí)。

“鵲橋”中繼星上架設(shè)的4.2米“巨傘”，是人類(lèi)深空探測(cè)器歷史上最大口徑太空通信天線。這張“巨傘”張開(kāi)后，為“鵲橋”中繼星和地球之間架設(shè)一座傘狀“橋”，可以為嫦娥四號(hào)著陸器、巡視器與地面測(cè)控站之間的“地月對(duì)話”提供便利。

除了“巨傘”，“鵲橋”中繼星還有一面超高清“反光鏡”——激光角反射器。地球觀測(cè)站發(fā)出的激光波束，可以準(zhǔn)確找到40多萬(wàn)公里外高速飛行的“鵲橋”中繼星，通過(guò)發(fā)送、接收的時(shí)間差，計(jì)算出星地距離，這是人類(lèi)歷史上最遠(yuǎn)距離的激光測(cè)距試驗(yàn)。

值得一提的是，中國(guó)航天人還給遠(yuǎn)在天邊的“鵲橋”中繼星安裝了多部“手機(jī)”，地面工作人員可以同時(shí)給這幾部“手機(jī)”打電話，發(fā)出相同的遙控指令，以規(guī)避“因距離遠(yuǎn)或其他未知因素”造成的信號(hào)中斷、信息傳送不準(zhǔn)確等問(wèn)題。

“鵲橋”中繼星在廣袤的太空中，會(huì)經(jīng)歷一段沒(méi)有光照的時(shí)光，陰影區(qū)的溫度在-200℃左右，最冷的區(qū)域達(dá)到-230℃以下。在如此嚴(yán)寒環(huán)境中，“鵲橋”全身都會(huì)被“凍僵”。為此，中國(guó)航天人采用了特殊材料，并進(jìn)行大量的極端環(huán)境下的試驗(yàn)，讓“鵲橋”中繼星不被“凍壞”。

為什么“選址”地月L2點(diǎn)做Halo軌道運(yùn)行？

不走尋常路，地球、月背上演“同框”

2018年5月21日，一個(gè)象征良緣的日子?！谤o橋”中繼星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心奔向太空，進(jìn)入預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道，開(kāi)始了搭建地月信息聯(lián)通“鵲橋”的航程。

“鵲橋”中繼星發(fā)射后不久，有專(zhuān)家一連用3個(gè)“首次”道出嫦娥探月工程的不易。

人類(lèi)首次實(shí)現(xiàn)月背軟著陸，首次采用地月中繼星通信，首次選擇地月拉格朗日L2點(diǎn)。3個(gè)“首次”看似比較獨(dú)立，其實(shí)聯(lián)系極為緊密。嫦娥四號(hào)選擇月背著陸，就少不了中繼星；有了中繼星，必然要找到合適的地月引力平衡點(diǎn)。其實(shí)，問(wèn)題的根本是點(diǎn)位的選擇。

幸運(yùn)的是，200多年前，瑞士科學(xué)家歐拉和法國(guó)科學(xué)家拉格朗日用高超的智慧，計(jì)算出拉格朗日L1-L5點(diǎn)。部署在這5個(gè)點(diǎn)的小衛(wèi)星或小天體相對(duì)兩個(gè)大天體基本保持靜止，這也是航天人一直追求的地月引力平衡點(diǎn)。

200多年后的今天，中國(guó)航天人為“嫦娥奔月”架起一座 “鵲橋”。這一次，他們選擇了一個(gè)“有趣”的點(diǎn)位——地月拉格朗日L2點(diǎn)。

之所以選擇地月拉格朗日L2點(diǎn)，中國(guó)航天人有三點(diǎn)考慮：

——這個(gè)點(diǎn)處于地球和月球兩點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上，且在月球一側(cè)。在這里，“鵲橋”有機(jī)會(huì)和地球、月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換；

——光照條件好，航天器很少被地球或月球遮擋；

——受地球和月球的影響小，中繼星長(zhǎng)期運(yùn)行所需軌道維持量較小，說(shuō)白了就是節(jié)省燃料。

當(dāng)然，如果中繼星“守”在地月拉格朗日L2點(diǎn)“一動(dòng)不動(dòng)”，受月球的遮擋，仍然“看不見(jiàn)”地球。走哪條“路”？“路線”是什么樣？這曾是航天人為之困擾的問(wèn)題。

擺在他們面前的兩條“路”，一個(gè)是李薩茹軌道，另一個(gè)是Halo軌道——這就需要中國(guó)航天人作出抉擇，究竟去哪個(gè)軌道。

這一次，中國(guó)航天人不走尋常路，最終敲定將Halo軌道作為“鵲橋”中繼星的使命軌道?！谤o橋”在這一軌道上做擬周期運(yùn)動(dòng)，可以上演“同框”——既能“看見(jiàn)”地球，又能“看見(jiàn)”月球背面?！谤o橋”通過(guò)定期軌道控制來(lái)保持軌道的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)嫦娥四號(hào)的中繼通信覆蓋。

事實(shí)上，早在上世紀(jì)50年代，國(guó)際航天界便提過(guò)中繼星Halo軌道的概念。只是時(shí)至今日，人類(lèi)才將這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

“人類(lèi)歷史上航天器首次造訪地月L2點(diǎn)，做Halo軌道飛行，這并不容易?！庇袑?zhuān)家打過(guò)一個(gè)比方：“鵲橋”中繼星在Halo軌道上運(yùn)行，就像一個(gè)調(diào)皮的孩子，只要一段時(shí)間不關(guān)注他，就可能會(huì)“離家出走”，甚至不知所蹤。這就需要中繼星時(shí)刻保持高穩(wěn)定、高精度的姿態(tài)和角度。

為了看好這個(gè)調(diào)皮的“孩子”，“家長(zhǎng)們”專(zhuān)門(mén)為“鵲橋”中繼星量身定制了具有高智能化水平、全天候、全天時(shí)、全空域運(yùn)行能力的光纖陀螺慣性測(cè)量單元，這將擺脫之前姿態(tài)敏感器需要借助地球、太陽(yáng)等天體來(lái)定位的束縛，大大提升其軌道控制能力。

同時(shí)，“鵲橋”中繼星已具備在1000m/s高速在軌飛行過(guò)程中，速度控制精度誤差不大于0.02m/s的本領(lǐng)，可以說(shuō)是“在高速奔跑中還可以穩(wěn)穩(wěn)地做微雕”。這一“自主可控、毫厘不差”的能耐，讓航天人實(shí)施的軌道控制周期延長(zhǎng)到7天左右一次，為中繼星安全、長(zhǎng)期、穩(wěn)定在軌運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

瞄向“月之背”的“鵲橋”是人類(lèi)探索月球邁出的堅(jiān)實(shí)一步，也是創(chuàng)新性一步。在“鵲橋”的幫助下，“月之背”將第一次聽(tīng)到來(lái)自地球“親人”的叩門(mén)聲。（記者 張新 鄒維榮 段江山）