嫦娥奔月為何先架「鵲橋」?揭秘中繼星特殊能力

原標題:嫦娥四號:「鵲橋」早在那兒等著你

“鵲橋”中繼星模型「鵲橋」中繼星模型

浩瀚宇宙,太陽系一隅,在地球與月球之間,一座貼有中國標籤的「鵲橋」,已經搭建完畢,其任務是迎接到訪月球的地球客人——嫦娥四號。

多年前,它的「同胞姐姐」嫦娥三號曾探訪過。多年後的今天,嫦娥四號帶著人類首次月球背面軟著陸巡視探測的神聖使命飛往月球。

探月之路,路途遙遠;每邁一步,充滿艱險。為了讓嫦娥四號遠航之途平平安安,中國太空人早就做好了周密打算。

「嫦娥」未動,「鵲橋」先行。半年多前,帶著探月中繼通信任務的「先行官」——「鵲橋」中繼星進入使命軌道,為此次發射的嫦娥四號架起一座最長的「橋」。

為什麼嫦娥奔月要先架「鵲橋」?

嫦娥「隔山喊話」,地球有應必答

提起「鵲橋」,大多數人會想到牛郎和織女的愛情故事。

為了讓牛郎和織女相會,各地喜鵲會飛過來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。

在大陸嫦娥四號探月工程中,一款以「鵲橋」命名的中繼星,承載著這一美好寓意,做到了「地月傳書」。

有人問:「嫦娥未動,為何‘鵲橋’先行?」回答這個問題前,我們先談談月背之謎。嫦娥四號探測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,由於地球和月球存在潮汐鎖定,月球的自轉周期和公轉周期完全相同。數百萬年來,人類都只能看到月球的「正臉」,卻絲毫看不到月球背面。

雖然月球「近在咫尺」,但人類對它依舊謎團重重。200多年前,「科幻小說之父」儒爾·凡爾納創作的《從地球到月球》,開啟了人類對月球的探索與想像。月球背面作為地球難以觀測的一角,在後來的科幻小說里催生出大量的太空幻想。

直到1959年,從蘇聯的「月球3號」傳送回來的照片上, 才讓人類有幸一睹月球背面的真容。那次任務,是具有冒險性的探索。沒有中繼星,「月球3號」只能選擇被動飛行模式。在飛過月球背面之時,地球被迫失聯,人們只能眼睜睜看著飛船從月球背面一側消失,又從另一側浮現。當「月球3號」繞回月球「正臉」,才將月背照片發送給了地球。

之所以採用這種冒險方式,是因為處在月球背面的太空器會被月球所遮擋,地球和太空器無法取得聯繫。就像兩個人「隔山喊話」,無法相互聽到,更何況這座高山是月球。

當然,嫦娥四號並不是月背的匆匆過客,而要在那里多住些時日。如何破解「隔山喊話」的難題?這時候,「鵲橋」中繼星派上用場了。

「鵲橋」中繼星能同時將地球、月球背面納入視野,從而扮演兩個原本被隔絕地點之間的「傳球手」。

事實上,要建起連接地球和月球、跨越40多萬公里的「星際效應」通信鏈路,考驗的是每一位「隊友」通力合作、協同「跑位」、精準「傳球」的能力。過去幾個月,提前進入戰位的「鵲橋」中繼星,已經進行了中繼通信功能的在軌「訓練」;地球測控站的「牧星人」,多次操演了任務全流程及應急預案,他們精心守護「鵲橋」,只為等候「嫦娥」傳來的第一條月背信息。

「鵲橋」中繼星有哪些特點?

中繼星「新秀」,有「內涵」、「道具」多

「鵲橋」中繼星「個頭」不大,整個「體重」只有448公斤。

別看外表不起眼,但「里子」有「內涵」。40多萬公里的通信距離,「鵲橋」架起的是世界上最長的「橋」。

說起「鵲橋」,容易讓人聯想到技術堪稱成熟的「天鏈一號」中繼星。11年前,第一顆「天鏈一號」發射成功。11年間,相繼發射的4顆「天鏈一號」中繼星組網運行,成功做到對中、低軌太空器全球100%覆蓋。

與「天鏈一號」相比,「鵲橋」中繼星有一個最大不同點——「天鏈一號」對數據採取透明轉PO方式,即不對數據做處理,保持「原汁原味」;而「鵲橋」中繼星屬於「再生轉PO」,即先對數據進行「解碼」「去格式」「復接」「編碼」等處理,再發送。可以看出,「鵲橋」中繼星做到了全面升級。

「鵲橋」中繼星上架設的4.2米「巨傘」,是人類深空探測器歷史上最大口徑太空通信天線。這張「巨傘」張開後,為「鵲橋」中繼星和地球之間架設一座傘狀「橋」,可以為嫦娥四號著陸器、巡視器與地面測控站之間的「地月對話」提供便利。

除了「巨傘」,「鵲橋」中繼星還有一面超高清「反光鏡」——雷射角反射器。地球觀測站發出的雷射波束,可以準確找到40多萬公里外高速飛行的「鵲橋」中繼星,通過發送、接收的時間差,計算出星地距離,這是人類歷史上最遠距離的雷射測距試驗。

值得一提的是,中國太空人還給遠在天邊的「鵲橋」中繼星安裝了多部「手機」,地面工作人員可以同時給這幾部「手機」打電話,發出相同的遙控指令,以規避「因距離遠或其他未知因素」造成的信號中斷、信息傳送不準確等問題。

「鵲橋」中繼星在廣袤的太空中,會經歷一段沒有光照的時光,陰影區的溫度在-200℃左右,最冷的區域達到-230℃以下。在如此嚴寒環境中,「鵲橋」全身都會被「凍僵」。為此,中國太空人採用了特殊材料,並進行大量的極端環境下的試驗,讓「鵲橋」中繼星不被「凍壞」。

為什麼「選址」地月L2點做Halo軌道運行?

不走尋常路,地球、月背上演「同框」

2018年5月21日,一個象徵良緣的日子。「鵲橋」中繼星在西昌衛星發射中心奔向太空,進入預定地月轉移軌道,開始了搭建地月信息聯通「鵲橋」的航程。

「鵲橋」中繼星發射後不久,有專家一連用3個「首次」道出嫦娥探月工程的不易。

人類首次做到月背軟著陸,首次採用地月中繼星通信,首次選擇地月拉格朗日L2點。3個「首次」看似比較獨立,其實聯繫極為緊密。嫦娥四號選擇月背著陸,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。其實,問題的根本是點位的選擇。

幸運的是,200多年前,瑞士科學家歐拉和法國科學家拉格朗日用高超的智慧,計算出拉格朗日L1-L5點。部署在這5個點的小衛星或小天體相對兩個大天體基本保持靜止,這也是太空人一直追求的地月引力平衡點。

200多年後的今天,中國太空人為「嫦娥奔月」架起一座 「鵲橋」。這一次,他們選擇了一個「有趣」的點位——地月拉格朗日L2點。

之所以選擇地月拉格朗日L2點,中國太空人有三點考慮:

——這個點處於地球和月球兩點連線的延長線上,且在月球一側。在這里,「鵲橋」有機會和地球、月球背面進行信息和數據交換;

——光照條件好,太空器很少被地球或月球遮擋;

——受地球和月球的影響小,中繼星長期運行所需軌道維持量較小,說白了就是節省燃料。

當然,如果中繼星「守」在地月拉格朗日L2點「一動不動」,受月球的遮擋,仍然「看不見」地球。走哪條「路」?「路線」是什麼樣?這曾是太空人為之困擾的問題。

擺在他們面前的兩條「路」,一個是李薩茹軌道,另一個是Halo軌道——這就需要中國太空人作出抉擇,究竟去哪個軌道。

這一次,中國太空人不走尋常路,最終敲定將Halo軌道作為「鵲橋」中繼星的使命軌道。「鵲橋」在這一軌道上做擬周期運動,可以上演「同框」——既能「看見」地球,又能「看見」月球背面。「鵲橋」通過定期軌道控制來保持軌道的穩定性,做到對嫦娥四號的中繼通信覆蓋。

事實上,早在上世紀50年代,國際太空界便提過中繼星Halo軌道的概念。只是時至今日,人類才將這一設想變為現實。

「人類歷史上太空器首次造訪地月L2點,做Halo軌道飛行,這並不容易。」有專家打過一個比方:「鵲橋」中繼星在Halo軌道上運行,就像一個調皮的孩子,只要一段時間不關注他,就可能會「離家出走」,甚至不知所蹤。這就需要中繼星時刻保持高穩定、高精度的姿態和角度。

為了看好這個調皮的「孩子」,「家長們」專門為「鵲橋」中繼星量身定制了具有高智能化水平、全天候、全天時、全空域運行能力的光纖陀螺慣性測量單元,這將擺脫之前姿態敏感器需要借助地球、太陽等天體來定位的束縛,大大提升其軌道控制能力。

同時,「鵲橋」中繼星已具備在1000m/s高速在軌飛行過程中,速度控制精度誤差不大於0.02m/s的本領,可以說是「在高速奔跑中還可以穩穩地做微雕」。這一「自主可控、毫厘不差」的能耐,讓太空人實施的軌道控制周期延長到7天左右一次,為中繼星安全、長期、穩定在軌運行打下基礎。

瞄向「月之背」的「鵲橋」是人類探索月球邁出的堅實一步,也是創新性一步。在「鵲橋」的幫助下,「月之背」將第一次聽到來自地球「親人」的叩門聲。

照片拍攝:王 旭 

3D建模技術支持:中科澄海科技