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“鹊桥”升空 地月间再添信使

来源:科普时报 作者:侯静 2018年06月12日
[导读]   鹊桥号中继星是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星,将为年底择机实施的嫦娥四号月球探测任务提供地月间的中继通信。它将在能同时被月球背面和地球看到的位置上值班,作为嫦娥四号着陆器和地球之间的信使传递信息。

                                                       新华社记者 才扬 摄
    5月21日,记者从中国国家国防科技工业局、国家航天局获悉,北京时间当天5时28分,中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中继星鹊桥号发射升空。同时升空的,还有实验微卫星龙江一号和龙江二号,将在进入环绕月球的飞行轨道后,开展超长波射电天文观测实验。
    鹊桥号中继星是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星,将为年底择机实施的嫦娥四号月球探测任务提供地月间的中继通信。它将在能同时被月球背面和地球看到的位置上值班,作为嫦娥四号着陆器和地球之间的信使传递信息。
    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。
    意味深远的“地月传书”
    一听“鹊桥”这样浪漫的名字,人们可能会联想到我国另一项航天工程:嫦娥。嫦娥探月,名字同样浪漫。而“鹊桥”承担的任务,正是“地月传书”,让计划在下半年发射的嫦娥四号和地面指挥中心之间保持通信畅通——让地面指挥中心接收到嫦娥四号发来的信息,同时也让嫦娥四号听地面指挥中心的话。
    “鹊桥”二字很浪漫,它来源于牛郎织女的民间传说——每年七夕,各地喜鹊都会在银河上架起桥梁,供他们相聚。那么这颗中继星将在地月之间架起一座怎样的桥梁?
    嫦娥四号任务的难点之一,就是由于受到月球自身的遮挡,着陆在月球背面的探测器无法直接实现与地球的测控通信和数据传输。据中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁介绍,鹊桥号星如其名,是一座传输信号与数据的“桥梁”,“距离月球近8万公里,距离地球约48万公里,在这个位置上,它既可以对月球背面进行通信,又可以和地球之间进行通信,所以我们起名叫‘鹊桥’。”
    虽然鹊桥号只有几百千克,但通过它,地面测控站和未来将落在月球背面的嫦娥四号探测器之间能够进行安全稳定的信息通信,包括图片、视频等,数据链路有高频的,有中低频率的,有实时转发的,也可以相对滞后一点转发等多种方式。
    超长波观测的“独步起舞”
    天文观测始于可见光,但人类认识到光却是一种电磁波后,就开始尝试在电磁波的不同频段进行天文观测。每开辟一个新的频段,人们往往会发现一些全新的天体或天文现象。然而,还有一个波段迄今仍几乎空白,这就是频率为30MHz以下的超长波波段。龙江一号和龙江二号微卫星将环绕月球飞行,当它们飞到月球背面时,就开机进行观测,并将数据一一记录下来;当飞到月球正面时,?再将数据传回地球,为探测月球超长波提供了十分绝佳的机会。
    每颗龙江微卫星可以单独进行超长波观测。由于龙江一号和龙江二号微卫星上各配有两套天线,每套均由三根互相垂直的鞭状天线组成,可以同时测量不同偏振的电波。这些天线每根长1米,发射前像卷尺一样收拢起来,卫星进入正常轨道后,地面发出指令,展开这些天线。电波被天线收到后,经过接收机的放大处理后转换成数字信号,形成每一时刻电磁辐射的频谱并记录下来。
    龙江计划观测的电波的最短波长是10米,最长波长是300米,而龙江微卫星的天线长度远远短于观测的波长,将尝试首次开展空间干涉观测。为此,两颗微卫星将沿着同一轨道一前一后绕月飞行,距离一般在1~10公里间。在绕到月球正面时,它们将观测数据发送到地面,并利用这一微波系统实现两星的测距和时间频率同步。另外,B星上装有LED灯,A星上则配有测角相机,用于测定相对方位。
    中科院国家天文台研究员陈学雷称,这只是环月超长波天文观测的第一步,主要是一种技术验证,为将来更大规模、专用的超长波观测阵列做好准备。由于龙江卫星仅仅是“蹭车”——搭载实验,能搭载的仪器和推进剂很有限,卫星轨道也比较粗放,难以经过精细调节进入离月球面比较近的圆形轨道,而是一条大椭圆轨道。轨道近地点距离月球大约300公里,远地点约9000公里,绕月一周所花的时间是大约13小时;由于卫星上的太阳能电池就比较小,在每一圈绕转中只有大约10分钟可用于观测,20分钟用于数据传输,数据传输率较低,只能把很少一部分数据传回地球。
    月球背部着陆的“历史奇观”
    由于月球绕轴自转的周期与绕地球公转的周期相同,都是27.3天,所以几十亿年来月球总是以同一面对着地球,人们只能看到月貌的59%。那么嫦娥四号在月球背部着陆,都有哪些科学意义和工程意义?
    拉格朗日的提出者是被誉为18世纪“欧洲最伟大数学家”的拉格朗日,又被称为平动点,是指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。该空间点有五个,分别为L1、L2、L3、L4、L5。在L2点上,探测器消耗很少的燃料即可长期驻留。鹊桥号中继星前往地L2点后,也即月亮背对地球方向上的那个引力平衡点,距离月球中心约65000公里,距地球40多万公里。鹊桥号中继星命名则来源于中国民间流传千古的牛郎织女传说,是中国航天人自主设计建造的地月信息联通的“天桥”。“在月球背面着陆国际上没有先例,一些航天强国没有实现,对我国来讲也是第一次,意义重大,在科学上、技术上都有很重要的突破。”航天二院研究员、国际宇航联空间运输委员会秘书长杨宇光在接受记者采访时表示,从科学意义上而言,月球背面的地貌和月球正面有非常大的区别。因为引力的原因,月球背面和正面受到地球的引力情况不一样,在漫长的几十亿年岁月中,受到的外界影响也不一样。有些科学家认为,月球背面可能受到陨石的冲击更多一些。所以,在整个地球、月球和太阳系的形成过程中,这样的差异造成很多值得考察的科学现象。对于月球背面进行探测有丰富的科学价值,包括对月球本身的形成、地月系统的形成以及整个太阳系的形成,都可以找到非常多有用的科学证据。从工程方面的角度来讲,嫦娥四号实现地球不可见区域的软着陆,在不可见的地方通过中继卫星通信,本身在工程上就有很高价值,能验证很多关键技术。

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