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中国成功发射嫦娥四号中继星——鹊桥号
发布时间:[ 2018-05-24 16:09 ] 文章来源:< 综合 > 浏览量: 2849

    “明月几时有,把酒问青天”。自古以来,人们对月球寄托了许多美好的想象。而在现代,月球成为科学家探索的重要目标。按照计划,我国嫦娥四号探测任务将对月球背面展开探测。
    5月21日5时28分,我国在西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功将探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”号中继星发射升空。这是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点(简称地月L2点)的通信卫星,将为2018年底择机实施的嫦娥四号月球背面软着陆探测任务提供地月间的中继通信。
    西昌,一个与月亮有缘的西南小城,自古便有“清风雅雨建昌月”之说,汉代司马相如曾在此留下“月出邛池水,空明澈九霄”的千古佳句,“月城”因此而得名。自2007年嫦娥一号卫星从这里启程奔月之后,嫦娥二号、嫦娥三号探测器等也相继在这里发射升空,西昌卫星发射中心成为世界闻名的中国“探月港”。
    长征四号丙运载火箭飞行25分钟后,星箭分离,将“鹊桥”直接送入近地点高度200公里,远地点高度40万公里的预定地月转移轨道,卫星太阳翼和中继通信天线相继展开正常。后续,“鹊桥”将经中途修正、近月制动和月球借力,进入月球至地月L2点的转移轨道,通过3次捕获控制和修正后,最终进入环绕地月L2点的使命轨道,地月L2点是卫星相对于地球和月球基本保持静止的一个空间点。
    据介绍,由于月球有一面总是背对着地球,当嫦娥四号进行世界首次月球背面软着陆和巡视勘查任务时,将受月球自身遮挡,无法直接与地球进行测控通信和数据传输,而“鹊桥”则相当于架设在嫦娥四号与地球间的“通信中继站”。此次,“鹊桥”还携带了由荷兰研制的低频射电探测仪,未来将开展在轨科学探测试验。
    执行此次发射任务的长征四号丙系列运载火箭是长征四号系列运载火箭第一次在西昌卫星发射中心承担发射任务。这是长征系列运载火箭第275次发射,探月工程重大专项由国防科工局组织实施。
    一、为什么要为嫦娥四号搭建“鹊桥”?
    嫦娥四号的任务将是人类首次进行月球背面着陆探测。由于月球绕地球公转的周期与月球自转的周期相同,所以月球总有一面背对着地球,这一面称之为月球背面。着陆在月球背面的探测器会受到月球自身遮挡,无法直接与地球进行测控通信和数据传输,因此必须先发射“鹊桥”,让他去充当架设在嫦娥四号与地球间的“通信中继站”,专门解决着陆月球背面的探测器对地通信“不在服务区”的问题。
    “鹊桥”的名字来源于中国民间牛郎织女的传说,而这颗中继星是中国航天人用自己的辛勤、智慧和汗水设计建造的地月信息联通的“天桥”。“鹊桥”虽然只有400多公斤重,但它是中国第一次应用于深空探测重大任务的小卫星。专家们坦言,这次任务周期长、难度大、风险高,卫星的飞行轨道也与众不同。
    拉格朗日是18世纪欧洲最伟大的数学家,他的一生在数学、物理和天文领域都作出了重要贡献。早在1772年,拉格朗日推算出,一个小物体在两大物体的引力作用下,小物体相对于它们基本保持静止的空间点有五个,即拉格朗日点又称为平动点,分别为L1、L2、L3、L4、L5。其中,L1、L2点在两个天体的连线上。“鹊桥”正是要围绕地月L2点使命轨道飞行,在去往地月L2点使命轨道的途中,“鹊桥”需要多次进行中途修正,要完成全部使命还需“过五关斩六将”。
    最关键的一次是近月制动变轨,专家将它形象地称为在距月面100公里高度时给卫星“踩一脚刹车”。这次变轨的窗口时间很短,且只有一次机会。如果没按计划完成好“刹车”动作,“鹊桥”很可能从此飞离预定轨道,因为这颗小卫星携带的推进剂不足以让它重新进入预定轨道。
    此外,“鹊桥”采用的伞状大通信天线由于是首次使用,其性能表现需要受在轨实际检验,而远距离通信也是一大难点。地球上的通信卫星通常是在距地面3万多公里的地球同步轨道运行,“鹊桥”距离月面距离远了1倍多,有7万多公里,这些都对这颗中继星实现与嫦娥四号着陆器和巡视器稳定可靠的通信提出挑战。
    “鹊桥”号中继星是实施嫦娥四号任务的关键,关系到整个任务的成败。“鹊桥”的使命轨道是地月拉格朗日2点晕轨道。拉格朗日2点是卫星相对于地球和月球基本保持静止的一个空间点,地月拉格朗日2点晕轨道是一个形状为非共面的三维不规则曲线。这是人类航天器首次涉足该轨道。在这一轨道上做周期运行,卫星与地面的通信将不受月球遮挡,可实现对嫦娥四号着陆器和巡视器的中继通信覆盖。
    深空探测任务中,最难的是如何建立可靠的远距离数据通信链路,这是世界各国都在致力攻克的关键核心技术。“鹊桥”装载有伞状抛物面天线,测控天线和数传天线三类低频射电天线。其中,伞状天线展开直径达4.2米,是人类深空探测史上口径最大的通信天线。它将直接指向月球,与嫦娥四号探测器对接,不仅要将地面的测控指令说给探测器听,还要听清楚探测器要对地球说些啥。
    这把“伞”在投入工作前,先经受了一次严酷的考验。“鹊桥”与火箭分离后,在太空中经历了一段没有光照的阴影区,最冷时温度达到零下230摄氏度。科技人员开展了大量力学、热学试验,确保伞状天线能从“冻僵”状态下恢复,顺利展开。
    “鹊桥”要提供中继服务,中继通信系统是最核心的部分。该系统在地、月、星之间建立了三条链路——对月前向链路、对月反向链路以及对地数传链路。这三条链路将能实现“鹊桥”与嫦娥四号探测器的双向通信,以及与地面的双向通信。
   
二、探索月球背面有何意义
    探月工程嫦娥四号任务将实现国际首次月球背面软着陆和巡视勘察。而这次发射的“鹊桥”号中继星将承担嫦娥四号着陆器和巡视器与地球间的通信和数传任务。也就是说,这颗中继星是航天人搭建起的地月信息联通的“天桥”。
    据介绍,2013年12月,嫦娥三号任务圆满完成我国首次地外天体软着陆和巡视勘察之后,国防科工局组织开展了嫦娥四号任务实施方案调整的论证工作。综合考虑国际前沿、科学价值、经济和技术可行性等因素,最终确定了月球背面软着陆和巡视勘察的总体方案。
    专家介绍,月球背面始终背对着地球,屏蔽了地球的无线电、闪电和极光等干扰信号,在月球背面独特的电磁环境条件下,开展低频射电观测研究,将填补100KHz10MHz射电天文观测空白,有望取得行星际激波、日冕物质抛射和空间传播机理等方面原创性成果。
    此外,月球背面与正面的地质特征存在很大差异,嫦娥四号对月球背面开展形貌、物质组成、月壤和月表浅层结构的就位与巡视综合探测,将促进对月球早期演化历史的新认知。
    因此,嫦娥四号任务肩负人类探索未知领域的重要使命,将突破一系列极具挑战的高新技术,是开展后续月球探测的序章,也将促进人类探索向更加深远的太空迈进。
    据了解,我国将于年底择机发射嫦娥四号着陆器和巡视器,在中继测控支持下实现月球背面软着陆,开展就位和巡视探测,这些科学探测数据再通过中继星转发至地面接收站,开展相关科学研究。届时,中国将揭示月球背面的直实面貌,并充分利用月球背面的特殊条件,开展甚低频天文观测和其他一系列科学探测,取得第一手创新性探测成果。下一步,中国还要到月球取样返回地球,开展地面实验室的全面、综合和具有鲜明特色的分析、测试和研究,取得更为先进与创新特色的科学成果。
    我国探月工程开始于2004年,计划在2020年前按“绕、落、回”的发展思路分三期组织实施,实现探月工程既定目标。
   
三、“鹊桥”如何实现中继通信
    中继通信分系统是“鹊桥”卫星最核心的部分,它建立了3条链路,可以实现其与嫦娥四号探测器的双向通信,以及与地面的双向通信。
    当“鹊桥”顺利飞达拉格六朗日L2点后,有效载荷将全部开通,实现中继服务。那么“鹊桥”究竟如何履行“嫦娥先行官”的职责呢?
    提供中继服务是通过中继通信分系统实现的,这一系统也是“鹊桥”卫星最核心的部分。它在地、月、星之间建立了三条链路——对月前向链路、对月反向链路以及对地数传链路。这三条链路将可以实现“鹊桥”与嫦娥四号探测器的双向通信,以及“鹊桥”与地面的双向通信。据介绍,在这3条链路中,对月反向链路的研制是最难的。因为我们必须在星上资源十分有限的情况下,解决信号高灵敏度接收和信号连续跟踪等一系列难题。
    嫦娥四号探测器要在月球背面活动,而“鹊桥”则在围绕拉格朗日L2点的轨道运转。因此,嫦娥四号探测器和“鹊桥”之间有相对运动。这样一来,“鹊桥”接收嫦娥四号发出的信号难度非常大,就好像垒球手要接住对方击打出的垒球一样。对一般卫星而言,击打垒球的位置是一定的,接球手需要判断球的速度和方向相对容易一些; 而对于“鹊桥”卫星这名“接球手”来说,“击球手”是满场跑的,球飞出的速度和方向变化多端,“鹊桥”卫星就得有“ 乾坤大挪移”的本领,随时接住嫦娥四号探测器发出的信号。为练就这个本领,“鹊桥”卫星的中继通信分系统与嫦娥四号探测器在地面的联试做了9次,设计师们通过不断优化方案,终于成功实现了所有功能需求。由于嫦娥四号探测器的身材小,其随身携带的信号收发天线装置也相对较小,导致其发射信号较弱。为了能够保障中继星和探测器的联系,中继通信分系统设置了多种不同的码速率,具备了“自适应数字调节”能力,可以克服嫦娥四号探测器发出的信号微弱、不稳定等带来的信号捕捉困难,为“鹊桥”和嫦娥四号探测器信息传递开辟出绿色通道。
   
四、“鹊桥”将进行史上最远激光测距实验
    嫦娥四号中继星卫星“鹊桥”发射升空,将为今年年底发射的嫦娥四号月背着陆探测器提供中继通讯服务。此外,“鹊桥”还携带激光角反射器,将进行地月激光测距试验,承担“天琴计划”的先导性研究工作。
    据了解,进入使命轨道后,“鹊桥”将尝试开展人类历史上距离最远的激光测距试验。激光测距试验是通过激光对星地距离进行科学测量。其原理是将高度同向性脉冲激光束射向放置在卫星表面的角反射镜,通过发送、接收时间差计算出星地距离。目前人类历史上最远距离的激光测距试验,是月球激光测距。1969年阿波罗11号在月球上放置了一套激光测距反射镜阵列,此后美国、法国、日本以及中国等先后完成了该试验。掌握这项技术的国家不多,毕竟想在38万公里以外的月面上找到并瞄准小小的激光反射镜,难如大海捞针。如果“鹊桥”卫星激光测距试验成功,将是空间飞行器测定轨技术的一大飞跃。
    据悉,华中科技大不罗俊院士团队2015年便开始布局研制激光角反射器,“鹊桥”搭载的这一装置将为未来在空间探测引力波的“天琴计划”做先导性研究工作。
    据介绍,该项目将实现国际首次超过地月距离下的纯反射激光测距,这是“天琴计划”实施路图“0123计划”中的第一步,即“0”计划中的一部分,目的是发展月球和深空卫星激光测距技术,为后期“天琴”卫星的精密定轨提供技术验证和储备。
   
五、“广寒宫”成为人类航天探索的热目标
    中国探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”号中继星21日发射升空,印度“月船2号”年底瞄准月球南极,美国和俄罗斯重启探月计划…..近两年,航天大国竞相宣布探月新计划,“广寒宫”不再清冷寂寞,再次成为人类航天探索的“热目标”。
    从中国、印度等航天探索“新星”,到传统航天强国美国和俄罗斯,多个国家及地区近年来纷纷将月球作为重要的深空探测目标之一。
    中国探月工程嫦娥四号任务计划年底实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察,并利用中继星实现地球与月球背面的通信。印度“月船2号”探月任务计划让着陆器在月球南极附近软着陆并释放一辆六轮月球车。
    美国总统特朗普去年11月提出要让美国宇航员重返月球,以“使美国重新成为太空探索的领导者”。美航天局今年初宣布,将在2023年左右将宇航员送入月球轨道,并在本世纪20年代初建立一个月球轨道平台作为“深空门户”。
    今年3月,俄罗斯航天集团宣布,计划两年内发射“月球25号”探测器,重启俄罗斯中止了40余年的月球探测计划。
    欧洲航天局一直在为打造“月球村”而奔走,呼吁各国航天机构和企业合作建设一个可供人类工作和生活的月球社区。日本也不断提出与美国、印度等国合作探月的计划。
    探月还获得越来越多企业的青睐,例如美国太空探索技术公司打算开启商业太空旅行项目,送游客绕月飞行; 沃达丰、诺基亚和奥迪等公司计划合作发射月球探测器并在月球上搭建首个4G网络。
    沉寂数十年后,各国缘何扎堆探月?美国乔治.华盛顿大学空间政策研究所前主任约翰.洛格斯登和俄罗斯齐奥尔科夫斯基航天研究院院士热列兹尼亚科夫这两位专家均表示,人类对近地轨道的探索已经有几十年时间,随着探月科技和相关构想日益成熟,世界各国纷纷制定新的探月计划。
    洛格斯登表示,美国当年的“阿波罗”计划主要是技术能力展示,并未开展太多探索活动,人类没去过月球两极和背面,月球可探索的空间还很大。
    热列兹尼亚科夫说:“各种航天器和航天员们在近地空间轨道内已停留了很长时间,是时候走向更遥远的宇宙获取新知识,检验开发航天新技术,尝试开辟适合人类生活的新空间了”,而月球可成为人类飞向更遥远太空的前哨基地。
    这两名专家均强调,新一轮探月热与冷战时期的“实力展示”不同,各方均理智从科学研究、资源开发等实用角度出发,在竞争与合作中开展包含实质内容的空间探索。热列兹尼亚科夫说,目前各国制定探月计划时非常理智,并不是为了与他国竞赛。
    俄罗斯科学院通讯院士、前宇航员尤里·巴图林说,需要明确的是载人登月不是目的,开发月球才是未来方向,人类在开发月球方面所面临的任务艰巨性远远超过美国“阿波罗”计划。
    不少中外航天专家指出,目前国际合作已经成为太空探索主流,如能集中全球智慧,可快速实现太空探索目标,化解技术风险,分摊经费,让各方受益。
    作为世界第三个实现月面软着陆的国家,中国探月走出了一条自力更生、自主创新的中国道路,同时选择以开放的姿态迎接合作。欢迎国际航天机构与中国合作,共同推动探月发展。
    据中国国家航天局介绍,中国自发出嫦娥四号国际合作倡议以来,收到了很多国家提交的合作方案。嫦娥四号上将搭载荷兰、德国、瑞典和沙特阿拉伯的科学载荷。中国在后续的月球探测规划任务中都将支持广泛的国际合作。
    “鹊桥”是颗小卫星,研制时间只有两年半,但作为嫦娥四号任务的重要组成部分,它的技术状态比较新,设计寿命达3年,而且质量要求非常严格,整个卫星的地面加电测时间超过1300个小时。
    “鹊桥”携带一大一小两个相机,小的专门观察卫星天线的展开情况,大的可以给月球和地球拍合影。在确保完成通信中继保障使命的同时,“鹊桥”也拉开了探月国际合作的新序幕。“鹊桥”携带了由荷兰研制的低频射电探测仪,未来将开展在轨科学探测实验。
    这个低频射电探测仪可以聆听低频的宇宙之声,这些宇宙之声携带着宇宙大爆炸后几亿年时间里的跦丝马迹,那时正是氢气云孕育第一代恒星的宇宙黑暗时代。专家称,这一科学探测将等嫦娥四号探测器完成主要任务之后再继续展开研究。
    此外,与“鹊桥”一同发射升空的还有由哈尔滨工业大学研制的“龙江一号”“龙江二号”两颗月球轨道编队超长波天文观测微卫星,星上搭载了由沙特阿拉伯研制的月球小型光学成像探测仪。两颗微卫星未来将开展月球轨道编队飞行、空间超长波天文干涉测量等技术试验。
    10多年前,中国人是独立自主、自力更生地发射嫦娥一号的,如今我们的探月任务也为更多国家创造了科学探索的平台。今年 ,嫦娥四号也将搭载来自德国和瑞典的科学载荷登陆月球背面。中国在月球探测的国际合作中,变得更加自信、主动,合作水平又上了新台阶。(白林)