架設(shè)地月新“鵲橋”

● 文/中國航天科技集團(tuán) 錢航

2024 年3 月20 日8 時31 分，我國探月工程四期鵲橋二號中繼星由長征八號遙三運(yùn)載火箭（以下簡稱“長八火箭”）在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射升空。長八火箭飛行24 分鐘后，星箭分離，將鵲橋二號中繼星直接送入近地點(diǎn)高度200 千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度42 萬千米的預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道，中繼星太陽翼和中繼通信天線相繼正常展開，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。

鵲橋二號中繼星是繼鵲橋號中繼星之后世界第二顆在地球軌道以外架設(shè)的專用中繼星，是探月四期后續(xù)工程的關(guān)鍵一環(huán)，將為正在運(yùn)行的嫦娥四號和即將發(fā)射的嫦娥六號、嫦娥七號、嫦娥八號，以及后續(xù)國內(nèi)外月球探測任務(wù)等提供中繼通信服務(wù)。

2018 年發(fā)射的鵲橋號中繼衛(wèi)星

兩個“鵲橋”大不同

與2018 年發(fā)射的鵲橋號中繼星相比，鵲橋二號的技術(shù)創(chuàng)新更多、技術(shù)狀態(tài)更多、功能更強(qiáng)、接口更為復(fù)雜、研制難度更高、任務(wù)時間跨度更大。

1.質(zhì)量更大

鵲橋二號約為1 200 千克，功率達(dá)1 000 瓦以上，而此前發(fā)射的鵲橋號只有425 千克左右。

鵲橋二號的大體格不光要執(zhí)行中繼通信任務(wù)，還承載了很多科學(xué)探測任務(wù)。它的身上攜帶了如極紫外相機(jī)、科學(xué)載荷管理器等科學(xué)儀器，將開展月基對地球磁尾與等離子體層的探測和研究、月地甚長基線干涉測量試驗和觀測研究等。

2.壽命更長

鵲橋號的設(shè)計壽命為5 年，而鵲橋二號的設(shè)計壽命為8 年，將主要服務(wù)于嫦娥六號、嫦娥七號以及嫦娥八號等后續(xù)月球探測任務(wù)。此外，一旦鵲橋號中繼星退役，鵲橋二號還要接力為在月球背面探測的嫦娥四號提供中繼通信服務(wù)。

3.擁有一把“小傘”

從外形上看，“鵲橋”系列中繼衛(wèi)星最顯著的特征就是擁有一把“金色大傘”，直徑達(dá)4.2米。通過這把“金色大傘”，可實現(xiàn)地球與月球背面的通信。

這把“金色大傘”有個專業(yè)名稱，叫“固網(wǎng)結(jié)合的傘狀可展開拋物面天線”。在入軌前，“傘”處于收縮狀態(tài)，在發(fā)射進(jìn)入軌道過程中能夠展開。“傘面”由鍍金鉬絲織成，主要用于反射電磁波。鉬絲非常細(xì)，還不到頭發(fā)絲直徑的1/4。鉬絲表層鍍金后，單線會更加牢固，信號反射率也會更好，這樣更有利于鵲橋二號在復(fù)雜的太空環(huán)境中工作。

而在鵲橋二號上還有一把“小傘”，叫“二維可驅(qū)動拋物面天線”，直徑和質(zhì)量都很小，直徑大約只有0.6 米，重約20 千克。在太空中，通過兩軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)，保證每時每刻都能指向地面數(shù)據(jù)接收站。

知識鏈接

凍結(jié)軌道是一種特殊的航天器軌道。在這類軌道上運(yùn)行的航天器，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計軌道參數(shù)，軌道漂移可以被最小化。通常，位于這種軌道上的衛(wèi)星在很長一段時間內(nèi)，其軌道高度在每個軌道周期的同一時間是保持不變的。

4.3 次軌道修正

由于探月四期的幾次任務(wù)都將對月球南極地區(qū)進(jìn)行考察，因此鵲橋二號選擇了一條十分特殊的繞月大傾角橢圓軌道——與月球赤道的夾角達(dá)54.8°，近月點(diǎn)在月球北半球高緯度地區(qū)，遠(yuǎn)月點(diǎn)在月球南半球高緯度地區(qū)。

在地、月轉(zhuǎn)移過程中，受入軌偏差、控制偏差等因素影響，探月設(shè)備會產(chǎn)生軌道偏差。為了保證鵲橋二號始終飛行在預(yù)期的軌道上，鵲橋二號進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道后要進(jìn)行3 次軌道修正。

3 月25 日0 時46 分，鵲橋二號中繼星經(jīng)過約112 小時奔月飛行，在距月面約440 千米處開始實施近月制動，約19 分鐘后，順利進(jìn)入環(huán)月軌道飛行。

在順利進(jìn)入近月點(diǎn)約200 千米、遠(yuǎn)月點(diǎn)約10 萬千米的月球捕獲軌道后，鵲橋二號開始繞月球飛行，軌道的周期為10 天左右。經(jīng)過3 次軌道調(diào)整后，鵲橋二號將最終進(jìn)入近月點(diǎn)約200 千米、遠(yuǎn)月點(diǎn)約16 000 千米、周期為24 小時的環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道。

5.運(yùn)行方式不一樣

首顆月球中繼星“鵲橋”被部署在距離月球5.6 萬～8 萬千米的地月拉格朗日L2 點(diǎn)。而鵲橋二號是繞月運(yùn)行，而且是遠(yuǎn)近軌結(jié)合的方式，這樣方便與鵲橋號聯(lián)合使用。同時，鵲橋二號可以更清楚地接收來自月面的信號，信號的傳輸會更快捷、更清晰。

長八火箭

知識鏈接

此次發(fā)射任務(wù)還搭載發(fā)射了天都一號、天都二號通導(dǎo)技術(shù)試驗星，名字源自安徽黃山主峰天都峰，寓意中國深空探測事業(yè)扎根大地，不斷向更高、更遠(yuǎn)的深空邁進(jìn)。它們將開展月球軌道導(dǎo)航空間基準(zhǔn)異源標(biāo)定、月地高可靠傳輸與路由等新技術(shù)驗證。

“好搭檔”長八火箭首次執(zhí)行探月軌道發(fā)射任務(wù)

長八火箭采用芯級捆綁兩枚液體助推器的兩級半構(gòu)型，填補(bǔ)了我國新一代運(yùn)載火箭 700 千米太陽同步軌道3～4.5 噸衛(wèi)星發(fā)射能力的空白，兼顧近地軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力，同時面向商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場積極參與競爭。

此次發(fā)射是長征系列運(yùn)載火箭第512 次飛行，也是長八火箭首次執(zhí)行探月軌道發(fā)射任務(wù)。研制團(tuán)隊根據(jù)多窗口多彈道、低空高速飛行剖面等任務(wù)需求，對其進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)和優(yōu)化。在短短半小時的飛行過程中，長八火箭為鵲橋二號順利入軌而量身定制了3 項特殊本領(lǐng)：更完善的彈道設(shè)計、更靈活的主動滾轉(zhuǎn)技術(shù)和更安全的熱防護(hù)措施。

為了更好地“服務(wù)”于奔月的“乘客”，長八火箭為鵲橋二號設(shè)計了 6 條“天路”，即使出現(xiàn)窄窗口發(fā)射的情況，也能確保衛(wèi)星順利啟程。

長八火箭成功發(fā)射鵲橋二號中繼星，讓我們見證了中國航天事業(yè)邁向新的里程碑，更讓我們看到了無數(shù)科研人員和工程師的辛勤付出與精湛技術(shù)。隨著鵲橋二號中繼星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，它將肩負(fù)起連接地球和月球之間通信的重要使命，為中國航天事業(yè)注入新的活力和動力。

同時，也讓我們共同期待，即將開始的嫦娥六號奔月之旅，必將為人類探索宇宙的征程，綻放出更加璀璨的光芒！