科技館里學航天

古時，鵲橋架在銀河之上，連結起牛郎與織女的良緣；今日，鵲橋懸在太空之中，溝通地球與月背于無形。

探索月亮，是中國人從古至今充滿浪漫與詩意的向往，也是中國航天人邁出深空探測的第一步。無人月球探測作為中國探月工程第一階段，按照“繞”“落”“回”三步走計劃，完成了環繞月球探測、月面軟著陸、月面自動巡視勘察和無人采樣返回等多個任務，為后續工程積累了豐富寶貴的經驗，也創造了多個人類首次的壯舉。本文聚焦“鵲橋”這顆發揮了重大作用的衛星，了解它的“月后”工作。

一顆小小衛星如何在浩瀚宇宙架起溝通之橋？

作為世界首顆地球軌道外的專用中繼通信衛星，“鵲橋”在地球長期可見的特定軌道上運行，作為信號中轉站實現“隔月”對話，搭建起“地月星”朋友圈。它搭載的一口傘狀天線展開后直徑達4.2 米，在發射時是人類深空探測史上由探測器攜帶的最大口徑通信天線，與地面通信帶寬達2M，與“嫦娥四號”間的帶寬也有100k 以上。不僅如此，它還攜帶了低頻射電探測儀、激光角反射鏡等科研載荷和兩顆微小衛星，可在軌開展地面上難以實現的科學探測和新技術試驗，為更多科研項目探測數據、奠定應用基礎。

在中國科學技術館主展廳四層“問鼎太空征途”展區，有一件名為“鵲橋中繼衛星”的展品，形象展示了“地月星”的位置關系，并通過激光將看不見摸不著的通信信號進行可視化演示，模擬了三方之間傳遞信息的過程，下面就請隨我們一起仔細觀察吧！

這件展品由展臺和演示裝置兩部分組成，演示裝置位于展臺上方中央，可根據搖桿左右撥動的方向，以激光模擬“鵲橋”工作時地月通信覆蓋范圍的變化。當“鵲橋”不工作時，只有地球與月球面向地球的一側間可呈現激光光線，在此基礎上開啟“鵲橋”中繼衛星后，則能在地球與衛星中間、衛星與月球背面間都看到激光光線，由此我們就“看到”了無形信號在“地月星”之間的傳輸路線。除了互動體驗區，展臺上還設置有多媒體展示區，拿起聽筒，點擊屏幕觀看視頻，就可以了解到有關“鵲橋”的更多信息。

通過觀察不難發現，與“嫦娥四號”相比，“鵲橋”與地球之間的距離更加遙遠?！谤o橋”隨著月球的運動方向，在一個直徑大于月球直徑的類圓形軌道上繞圈，運動過程中始終與地球保持一定的距離。就像我們在照鏡子時看不到自己的后腦勺，眼睛和面前鏡子間像有一條無形的視線牽連，轉過頭時視線就中斷了。這時我們可以在腦袋后面稍側一點的地方再放置一面鏡子，即使在一定范圍內移動鏡子的位置，只要調整到合適角度，后腦勺的畫面都可以通過鏡子反射呈現在我們面前的鏡子上，被我們看到?！谤o橋”就像我們身后的那面鏡子一樣，在特定運行軌道上連通地球與月球背面。這樣一來，從地球的角度看過去，可以一直在月球周圍找到“鵲橋”的身影，不會受到月球的遮擋；從“嫦娥四號”的角度看過去，“ 鵲橋”永遠懸在上方，從未離開自己的視線。

“鵲橋”為何在此時此地架起？

2019 年1 月3 日，“嫦娥四號”月球探測器緩緩著陸于沉寂已久的月球背面，實現了人類首次在月球背面進行軟著陸和巡視勘察。在此之前，“鵲橋”中繼衛星已于2018年5 月21 日搭乘“長征四號丙”運載火箭順利升空并進入預定軌道，6 月14 日成功進入距離月球約6.5萬千米的地月拉格朗日L2 點附近的Halo 軌道，正式“入職”太空，為迎接“嫦娥四號”的到來做好充足準備，默默守護“著巡組合體”安全抵達月面。

由于月球繞自身的軸旋轉一圈和繞著地球公轉一圈花費的時間相同，因此月球永遠以同一面朝向地球，也就是說無論何時我們看到的月亮都只是月球的一面，一般稱之為正面，如果查看我們在同一地點任何時間拍攝的月亮照片就會發現里面的月亮都長得一樣。這種天體永遠以同一面對著另一個天體的現象被稱為“潮汐鎖定”。就像鏈球運動員拽住鎖鏈帶動鏈球旋轉時，鏈球只有連接鎖鏈的一面朝向運動員，而沒有鎖鏈的一面永遠不會被運動員看到。月球就像被一根無形的鎖鏈拽住，有規律地繞著地球不停運動，只會向我們展露自己一半的樣子，另一面則神秘地藏在它身后。由于技術所限，以往發射的月球探測器都是在月球朝向地球的一面降落，可以受到地面無障礙的保護，能實時與地面進行通信和數據傳輸，而不用借助其他小伙伴的幫助。

“嫦娥四號”有所不同，它首次突破性地選擇了月背作為著陸地點，準備去探尋那片未被登陸過的寂靜之地。但是那里與地球之間橫亙著整個月球，不僅相互之間見不到面，“聽”不到來自地面的呼喚，甚至出現危險也無法向地面發出求救信號。怎么能保證自身的安全運行，并且及時將科學數據傳回地面呢？“鵲橋”中繼衛星應運而生。

經過我國科學家和工程師們的反復測算，終于尋得適合“鵲橋”運行的位于地月拉格朗日L2 點附近的Halo 軌道，又稱“暈軌道”。這個軌道并不是規則的圓形，也不處于一個平面，其形狀是非共面的三維非規則曲線。為什么要找一條這樣的軌道呢？原來在地球、月球和航天器三者構成的系統中，當航天器位于一些特殊點位時，就可以在兩個天體的拉扯中處于平衡狀態，從而保持相對靜止。在此條件下，航天器不僅可以節省維持自身運行的燃料，延長駐留時間，還可以接收到充足的陽光為自己供能。

“鵲橋”的順利運行有何長遠意義？

隨著深空探索的發展，確保遠距離數據通信鏈路的可靠性成為最重要的技術基礎之一，這也是世界各國都在攻克的關鍵核心技術?！谤o橋”在太空中穿梭過-200℃的陰影區，抵達距離地面40 萬千米的軌道，搭建起月球表面與地面之間溝通的唯一橋梁，具有重大的科學與工程意義。它搭載的探測載荷也順利完成了多個歷史性試驗，為我們探索未知宇宙提供了更多寶貴數據。2023 年6 月，我國同意美國國家航空航天局和其他國家航空航天機構使用“鵲橋”進行通信的請求，將助其完成今后的月球探索任務。我國還計劃于2024 年發射“鵲橋二號”中繼衛星，在更多領域提供更加豐富的服務。

相信在不遠的將來，看不見的月背，望不穿的深空，都將劃過滿載人類好奇、智慧與勇氣的星。