地月通信架“鵲橋”

文/趙聰 攝 / 李明

▲ 衛(wèi)星吊塔對接

緣起

“鵲橋”升空了。

5月21日5時28分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，人類首個以月球背面為目標(biāo)的探測任務(wù)——嫦娥四號探月工程，就在此刻邁出了第一步。

人類對月球渴望已久。千百年來，這個人們熟悉又陌生的、“陰晴圓缺”的球體帶給人們無盡想象，甚至寄托著人們的“悲歡離合”。人們嘗試通過肉眼或者機械鏡頭接近它，雖然美國已經(jīng)成功踏上了它的領(lǐng)地，但“月之暗面”的謎題從未有人揭曉。

由于月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一致，它只能永遠(yuǎn)以同一面朝向地球。

雖然難以看到，月球背面的科學(xué)探測意義卻很重大。中科院國家天文臺研究員鄭永春介紹，那里避開了來自地球的大量電磁干擾，處于一種電磁波“寧靜區(qū)”，在這樣的潔凈環(huán)境中，探測器可以接收到更多微弱信號，例如宇宙形成早期發(fā)出的短波。

另外，人類通過多次環(huán)月探測發(fā)現(xiàn)，月球背面分布著大大小小的天體撞擊坑，這片神秘區(qū)域到底經(jīng)歷過怎樣的天體活動？科學(xué)家分析，這些撞擊坑有的在幾十萬年前生成，能否通過它們找到宇宙起源的蛛絲馬跡？

中國開始將深空探測目標(biāo)鎖定在月球背面。2015年11月30日，探月工程重大專項領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)嫦娥四號任務(wù)組織實施，這標(biāo)志著月球背面登陸探測正式開始。

第一個難題迎面而來：月球始終以同一面朝向地球，這就意味著，若探測器在月球背面登陸，它與地球不僅相隔遙遠(yuǎn)的地月距離，還要受龐大月球球體的阻隔，如何與地球保持通信聯(lián)絡(luò)？

“搭橋”是較為完美的解決方案。發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星，將其當(dāng)做中轉(zhuǎn)站，用來接受和轉(zhuǎn)發(fā)地球和月球上發(fā)出的信號，相當(dāng)于給地球和月球搭起一座通信橋梁。“其實就好比把地面站搬到天上。”嫦娥四號中繼星總指揮兼總師張立華做了個類比。

通過發(fā)射中繼衛(wèi)星為航天器和地球搭建天地通信鏈路，是一種較為常見的做法。中國的中繼衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，10年前，第一顆中繼衛(wèi)星上天，10年間，相繼發(fā)射的4顆“天鏈一號”衛(wèi)星組網(wǎng)運行，成功實現(xiàn)對中、低軌航天器全球100%覆蓋。

但與“天鏈一號”相比，嫦娥四號中繼衛(wèi)星有點不一樣。首先，最大的不同是“天鏈一號”對數(shù)據(jù)采取透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，即不對數(shù)據(jù)做處理，保持“原汁原味”；嫦娥四號中繼星則屬于“再生轉(zhuǎn)發(fā)”，即先對數(shù)據(jù)進行“解碼”“去格式”“復(fù)接”“編碼”等處理，再發(fā)送。

▲ 嫦娥四號“鵲橋”之旅 制圖 丁潔

其次，“天鏈一號”具有廣泛的通用性，嫦娥四號中繼衛(wèi)星則更像是為執(zhí)行月球背面探測任務(wù)而專屬定制。“嫦娥四號是嫦娥三號的備份衛(wèi)星，主要設(shè)備已經(jīng)生產(chǎn)出來，所以需要專門研制一顆中繼星，去跟它的接口進行匹配。”張立華解釋。

中繼衛(wèi)星的抓總研制任務(wù)被交到了中國航天科技集團有限公司五院所屬航天東方紅衛(wèi)星有限公司手中。2018年4月24日，第三個“中國航天日”期間，中繼衛(wèi)星被正式命名為“鵲橋”。

“鵲橋”不大，整個重量才約448千克，衛(wèi)星本體橫向尺寸1.4米×1.4米，高度才850毫米，加上天線是3米多。

就像一個中型保險柜，存放著人類首次探索月球背部的夢想。

Hello，月球

“鵲橋”向月球奔去。

5時54分，中繼衛(wèi)星與火箭分離，護送者完成使命離去，它要靠著自己的本事，走完剩余的奔月之路。

在嫦娥四號中繼星任務(wù)說明上是這樣描述飛行計劃的：星箭分離后，經(jīng)過約4～5天的飛行，其間經(jīng)過2～3次中途修正，“鵲橋”將到達距離月面高度約100公里的近月點。經(jīng)過近月制動后，在約21天時間內(nèi)，“鵲橋”將進行2次中途修正和3次捕獲控制，最終進入繞地月L2點的Halo軌道。

為何最終到達這里？

首先要明白何為“地月L2點”。地月拉格朗日2點簡稱地月L2點，距離地球40多萬公里，是5個地月拉格朗日點之一。根據(jù)天體物理學(xué)中的限制性三體問題，地球和月球兩大天體在太空中運動，其萬有引力與離心力在這5個點處得以平衡。倘若這5個點處存在第三個天體，且這個天體的質(zhì)量相對于地球和月球無限小——譬如中繼星，那么它就可以和地月保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。

顯然，中繼星正是看中了地月朗格朗日點的穩(wěn)定性。“中繼星架在這些點處，受地月引力作用可以保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，從而節(jié)省衛(wèi)星燃料。”嫦娥四號中繼星主任設(shè)計師孫驥說。

▲ 對衛(wèi)星的太陽翼進行光照試驗

既然5個點都可以保持穩(wěn)定，為何偏偏選擇了L2點？

這是因為地月L2點位于地球、月球兩個大天體的連線上，且在較小的天體即月球一側(cè)，即正好面向月球背面。“嫦娥四號要在月球背面靠近南極的艾特肯盆地執(zhí)行任務(wù)，想要對此處和地球同時可見，只能選擇L2點。”孫驥解釋。

中繼星選擇了地月L2點，但并不是在此處保持靜止?fàn)顟B(tài)，而是圍繞該點做擬周期運動，其運動軌道是Halo軌道。

孫驥進一步解釋，L2點位于地月連線上的月背一側(cè)，若衛(wèi)星在此處，受月球遮擋根本不可能“看見”地球，所以設(shè)計師為其設(shè)計了Z向振幅約1.3萬公里繞地月L2點的Halo軌道。“鵲橋”架設(shè)在這一軌道上，既能“看見”地球，又能“看見”月球，既可以同時與地球和月球背面進行信息和數(shù)據(jù)交換，又因為受地月引力作用而保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，從而節(jié)省了衛(wèi)星燃料。

繞地月L2點的Halo軌道，無疑是嫦娥四號中繼星的理想處所。

軌道雖然很理想，但“鵲橋”選擇這里卻不是貿(mào)然行動，而是站在“前人肩膀上”的理性選擇。

早在2011年，我國嫦娥二號完成探月任務(wù)后，離開月球軌道飛向日地L2點，這是人類首次實現(xiàn)從月球軌道出發(fā)到日地L2點，也是中國首次實地探訪拉格朗日點。

▲ 衛(wèi)星天線的“靚照”

3年之后，中國再次向另一個L2點——地月L2點進發(fā)。2014年，探月工程三期月地高速再入返回飛行器完成返回任務(wù)后，留軌的服務(wù)艙前往地月L2點進行探測，這是我國飛行器首次飛抵這里并完成科研任務(wù)，也是世界上第二個到達地月L2軌道的航天器。此前，僅有美國的Artemis任務(wù)短暫造訪過這片神奇的空域。

有了前人“栽樹”，“鵲橋”的運行軌道才最終被確定為繞地月L2點的Halo軌道。

Halo軌道的概念由美國人Farquhar在1967年提出，根據(jù)Farquhar的構(gòu)想，如果在這一軌道上放置一顆中繼通信衛(wèi)星，可以為月球背面著陸的探測器提供通信中繼服務(wù)。基于這一構(gòu)想，美國宇航局曾計劃在阿波羅17號任務(wù)中進行實施，但最終由于風(fēng)險較大、技術(shù)復(fù)雜等原因而放棄。

▲ 工作人員在給衛(wèi)星做測試

如今，“鵲橋”勇敢地選擇了這個軌道。若進展順利，“鵲橋”將是世界上第一顆成功在地月L2點上采用Halo軌道的衛(wèi)星，意味著我國率先掌握了地月中繼通信技術(shù)。

架橋

6時20分，傘狀天線緩緩展開。這個展開后口徑達4.2米的大型天線，將首次為人類傳送來自月球背面的信號。它有一個頭銜：人類深空探測任務(wù)史上最大口徑的通信天線。

“鵲橋”能否被架設(shè)成“高速路橋”，關(guān)鍵靠它。

通常在深空探測任務(wù)中，建立遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的可靠鏈路最為困難，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關(guān)鍵核心技術(shù)，而要確保通信鏈路的可靠性，天線是關(guān)鍵。

“這顆衛(wèi)星離地球和月球都比較遠(yuǎn)，要滿足通信要求，天線口徑得盡可能做大。”張立華說。

此外，天線與其他中繼鏈路設(shè)備不同。后者可以做一些冗余，但天線只有一個，是整星的單點環(huán)節(jié)，一旦出問題，對整個任務(wù)而言是災(zāi)難性的。

惡劣的太空環(huán)境對天線帶來嚴(yán)峻考驗。在軌運行期間，“鵲橋”會經(jīng)過一段沒有光照的陰影區(qū)，最長可達4個多小時，陰影區(qū)溫度平均-200℃左右，在陰影區(qū)，天線最冷的部件溫度將達到-230℃，為了順利通過如此嚴(yán)寒的考驗，五院的設(shè)計師們做了大量試驗驗證，有效保障了傘狀天線能夠克服嚴(yán)酷環(huán)境，可靠工作。

“架橋”要趁早。

按照計劃，嫦娥四號任務(wù)分兩步進行：先發(fā)射中繼星，再發(fā)射著陸器和巡視器組合體。“鵲橋”提前半年出發(fā)，要做好前期“功課”：盡快完成在軌測試，調(diào)整進入備戰(zhàn)狀態(tài)，以便迎接年底嫦娥四號著陸器和巡視器的到來。

除了搭建通信橋梁，“鵲橋”還嘗試為空間科學(xué)試驗“牽線”。

激光測距試驗是其一。目前，人類歷史上最遠(yuǎn)距離的激光測距試驗是依據(jù)1969年阿波羅11號在月球上放置的一套激光測距反射鏡陣列進行。如今，在距離地球約40多萬公里的地月L2點附近，“鵲橋”將嘗試把遠(yuǎn)距離激光測距的記錄再度延伸。

“鵲橋”上還搭載了浙江大學(xué)研制的兩臺相機，用來拍攝天線展開的過程，若幸運，人們還會看到其拍攝的地月彩色合影。中繼星還搭載了中荷（荷蘭）合作研制的低頻射電探測儀。

世界范圍內(nèi)，人類探索月球的活動大致可分為“探”“登”“駐(住)”三個階段。根據(jù)中國探月工程總體規(guī)劃，2020年前，中國月球探測工程以無人探測為主，屬人類探月三階段中的“探”。

瞄向“月之暗面”的“鵲橋”是人類探索月球邁出的堅實一步，也是創(chuàng)新性一步。

如今，“鵲橋”即將架設(shè)，不久，月球背面將第一次聽到來自地球“鄰居”的扣門聲。