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                嫦娥奔月为何先架“鹊桥”?揭秘中继星特殊能力

                湖南岳阳资讯网

                2019-01-01 08:02:55

                嫦娥四号:“鹊桥”早在那儿等着你

                ■本报记者张新邹维荣段江山

                浩瀚宇宙,太阳系一隅,在地球与月球之间,一座贴有中国标签的“鹊桥”,已经搭建完毕,其任务是迎接到访月球的地球客人——嫦娥四号。

                多年前,它的“同胞姐姐”嫦娥三号曾探访过。多年后的今天,嫦娥四号带着人类首次月球背面软着陆巡视探测的神圣使命飞往月球。

                探月之路,路途遥远;每迈一步,充满艰险。为了让嫦娥四号远航之途平平安安,中国航天人早就做好了周密打算。

                “嫦娥”未动,“鹊桥”先行。半年多前,带着探月中继通信任务的“先行官”——“鹊桥”中继星进入使命轨道,为此次发射的嫦娥四号架起一座最长的“桥”。

                为什么嫦娥奔月要先架“鹊桥”?

                嫦娥“隔山喊话”,地球有应必答

                提起“鹊桥”,大多数人会想到牛郎和织女的爱情故事。

                为了让牛郎和织女相会,各地喜鹊会飞过来用身体紧贴着搭成一座桥——鹊桥,牛郎和织女便在鹊桥上相会。

                在我国嫦娥四号探月工程中,一款以“鹊桥”命名的中继星,承载着这一美好寓意,实现了“地月传书”。

                有人问:“嫦娥未动,为何‘鹊桥’先行?”回答这个问题前,我们先谈谈月背之谜。嫦娥四号探测器将在月球背面软着陆,但月球背面如深处闺房的娇羞少女一样从不示人,由于地球和月球存在潮汐锁定,月球的自转周期和公转周期完全相同。数百万年来,人类都只能看到月球的“正脸”,却丝毫看不到月球背面。

                虽然月球“近在咫尺”,但人类对它依旧谜团重重。200多年前,“科幻小说之父”儒尔·凡尔纳创作的《从地球到月球》,开启了人类对月球的探索与想象。月球背面作为地球难以观测的一角,在后来的科幻小说里催生出大量的太空幻想。

                直到1959年,从苏联的“月球3号”传送回来的照片上, 才让人类有幸一睹月球背面的真容。那次任务,是具有冒险性的探索。没有中继星,“月球3号”只能选择被动飞行模式。在飞过月球背面之时,地球被迫失联,人们只能眼睁睁看着飞船从月球背面一侧消失,又从另一侧浮现。当“月球3号”绕回月球“正脸”,才将月背照片发送给了地球。

                之所以采用这种冒险方式,是因为处在月球背面的航天器会被月球所遮挡,地球和航天器无法取得联系。就像两个人“隔山喊话”,无法相互听到,更何况这座高山是月球。

                当然,嫦娥四号并不是月背的匆匆过客,而要在那里多住些时日。如何破解“隔山喊话”的难题?这时候,“鹊桥”中继星派上用场了。

                “鹊桥”中继星能同时将地球、月球背面纳入视野,从而扮演两个原本被隔绝地点之间的“传球手”。

                事实上,要建起连接地球和月球、跨越40多万公里的“星际穿越”通信链路,考验的是每一位“队友”通力合作、协同“跑位”、精准“传球”的能力。过去几个月,提前进入战位的“鹊桥”中继星,已经进行了中继通信功能的在轨“训练”;地球测控站的“牧星人”,多次操演了任务全流程及应急预案,他们精心守护“鹊桥”,只为等候“嫦娥”传来的第一条月背信息。

                “鹊桥”中继星有哪些特点?

                中继星“新秀”,有“内涵”、“道具”多

                “鹊桥”中继星“个头”不大,整个“体重”只有448公斤。

                别看外表不起眼,但“里子”有“内涵”。40多万公里的通信距离,“鹊桥”架起的是世界上最长的“桥”。

                说起“鹊桥”,容易让人联想到技术堪称成熟的“天链一号”中继星。11年前,第一颗“天链一号”发射成功。11年间,相继发射的4颗“天链一号”中继星组网运行,成功实现对中、低轨航天器全球100%覆盖。

                与“天链一号”相比,“鹊桥”中继星有一个最大不同点——“天链一号”对数据采取透明转发方式,即不对数据做处理,保持“原汁原味”;而“鹊桥”中继星属于“再生转发”,即先对数据进行“解码”“去格式”“复接”“编码”等处理,再发送。可以看出,“鹊桥”中继星实现了全面升级。

                “鹊桥”中继星上架设的4.2米“巨伞”,是人类深空探测器历史上最大口径太空通信天线。这张“巨伞”张开后,为“鹊桥”中继星和地球之间架设一座伞状“桥”,可以为嫦娥四号着陆器、巡视器与地面测控站之间的“地月对话”提供便利。

                除了“巨伞”,“鹊桥”中继星还有一面超高清“反光镜”——激光角反射器。地球观测站发出的激光波束,可以准确找到40多万公里外高速飞行的“鹊桥”中继星,通过发送、接收的时间差,计算出星地距离,这是人类历史上最远距离的激光测距试验。

                值得一提的是,中国航天人还给远在天边的“鹊桥”中继星安装了多部“手机”,地面工作人员可以同时给这几部“手机”打电话,发出相同的遥控指令,以规避“因距离远或其他未知因素”造成的信号中断、信息传送不准确等问题。

                “鹊桥”中继星在广袤的太空中,会经历一段没有光照的时光,阴影区的温度在-200℃左右,最冷的区域达到-230℃以下。在如此严寒环境中,“鹊桥”全身都会被“冻僵”。为此,中国航天人采用了特殊材料,并进行大量的极端环境下的试验,让“鹊桥”中继星不被“冻坏”。

                为什么“选址”地月L2点做Halo轨道运行?

                不走寻常路,地球、月背上演“同框”

                2018年5月21日,一个象征良缘的日子。“鹊桥”中继星在西昌卫星发射中心奔向太空,进入预定地月转移轨道,开始了搭建地月信息联通“鹊桥”的航程。

                “鹊桥”中继星发射后不久,有专家一连用3个“首次”道出嫦娥探月工程的不易。

                人类首次实现月背软着陆,首次采用地月中继星通信,首次选择地月拉格朗日L2点。3个“首次”看似比较独立,其实联系极为紧密。嫦娥四号选择月背着陆,就少不了中继星;有了中继星,必然要找到合适的地月引力平衡点。其实,问题的根本是点位的选择。

                幸运的是,200多年前,瑞士科学家欧拉和法国科学家拉格朗日用高超的智慧,计算出拉格朗日L1-L5点。部署在这5个点的小卫星或小天体相对两个大天体基本保持静止,这也是航天人一直追求的地月引力平衡点。

                200多年后的今天,中国航天人为“嫦娥奔月”架起一座 “鹊桥”。这一次,他们选择了一个“有趣”的点位——地月拉格朗日L2点。

                之所以选择地月拉格朗日L2点,中国航天人有三点考虑:

                ——这个点处于地球和月球两点连线的延长线上,且在月球一侧。在这里,“鹊桥”有机会和地球、月球背面进行信息和数据交换;

                ——光照条件好,航天器很少被地球或月球遮挡;

                ——受地球和月球的影响小,中继星长期运行所需轨道维持量较小,说白了就是节省燃料。

                当然,如果中继星“守”在地月拉格朗日L2点“一动不动”,受月球的遮挡,仍然“看不见”地球。走哪条“路”?“路线”是什么样?这曾是航天人为之困扰的问题。

                摆在他们面前的两条“路”,一个是李萨茹轨道,另一个是Halo轨道——这就需要中国航天人作出抉择,究竟去哪个轨道。

                这一次,中国航天人不走寻常路,最终敲定将Halo轨道作为“鹊桥”中继星的使命轨道。“鹊桥”在这一轨道上做拟周期运动,可以上演“同框”——既能“看见”地球,又能“看见”月球背面。“鹊桥”通过定期轨道控制来保持轨道的稳定性,实现对嫦娥四号的中继通信覆盖。

                事实上,早在上世纪50年代,国际航天界便提过中继星Halo轨道的概念。只是时至今日,人类才将这一设想变为现实。

                “人类历史上航天器首次造访地月L2点,做Halo轨道飞行,这并不容易。”有专家打过一个比方:“鹊桥”中继星在Halo轨道上运行,就像一个调皮的孩子,只要一段时间不关注他,就可能会“离家出走”,甚至不知所踪。这就需要中继星时刻保持高稳定、高精度的姿态和角度。

                为了看好这个调皮的“孩子”,“家长们”专门为“鹊桥”中继星量身定制了具有高智能化水平、全天候、全天时、全空域运行能力的光纤陀螺惯性测量单元,这将摆脱之前姿态敏感器需要借助地球、太阳等天体来定位的束缚,大大提升其轨道控制能力。

                同时,“鹊桥”中继星已具备在1000m/s高速在轨飞行过程中,速度控制精度误差不大于0.02m/s的本领,可以说是“在高速奔跑中还可以稳稳地做微雕”。这一“自主可控、毫厘不差”的能耐,让航天人实施的轨道控制周期延长到7天左右一次,为中继星安全、长期、稳定在轨运行打下基础。

                瞄向“月之背”的“鹊桥”是人类探索月球迈出的坚实一步,也是创新性一步。在“鹊桥”的帮助下,“月之背”将第一次听到来自地球“亲人”的叩门声。

                照片拍摄:王 旭

                3D建模技术支持:中科澄海科技