“嫦娥”未动 “鹊桥”先行——看中国如何为月球背面建探月通信“服务区”

 

 
5月21日清晨，在嫦娥三号“奔月”4年多之后，中国又做出一个探索月球的大动作——在西昌卫星发射中心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，它的成功与否对2018年年底中国探月工程嫦娥四号任务——世界首次月球背面软着陆和巡视勘察任务至关重要。
为月球背面建地月通信“服务区”
在与长征四号丙运载火箭完成星箭分离后，“鹊桥”进入预定地月转移轨道，相继展开卫星太阳翼和中继通信天线，飞向月球。
中国航天科技集团五院“鹊桥”号中继星项目经理张立华接受新华社记者采访时表示，后续，“鹊桥”还需进行12次轨道控制任务，经过中途修正、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。位于地月连线的延长线上，到月球的平均距离约为6.5万公里，距地球40多万公里。
中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁说，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”，让它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”。
完成使命还需“过关斩将”
“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。
吴伟仁说，1772年，法国数学家拉格朗日推算出，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点的使命轨道飞行。中国航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统项目执行总监、副总设计师张熇告诉记者，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的变轨，张立华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，其性能表现需要经受在轨实际检验，而远距离通信也是一大难点。张立华说，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。
拉开探月国际合作新序幕
“‘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试时间超过1300个小时。”张立华说。
“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。
张立华表示，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试验。
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蛛丝马迹，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。
中国航天科技集团五院嫦娥四号探测器总设计师孙泽洲说，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研载荷登陆月球背面。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。