架設(shè)地月新“鵲橋”

2024年3月20日，探月工程四期的“鵲橋二號”中繼星，由“長征八號遙三”運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射升空．“長征八號遙三”運(yùn)載火箭飛行24 min后，星箭分離，將“鵲橋二號”中繼星直接送入預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道，接下來，“鵲橋二號”中繼星在地面測控支持下．經(jīng)過中途修正、近月制動、軌道控制等操作，依次進(jìn)入捕獲軌道、調(diào)相軌道，最后進(jìn)入環(huán)月使命軌道，成為繼“鵲橋”中繼星之后世界第二顆在地球軌道以外的專用中繼星．為“嫦娥六號”探月任務(wù)提供支持．并接力“鵲橋”中繼星為“嫦娥四號”探月任務(wù)提供中繼通信服務(wù)．此外，“鵲橋二號”中繼星搭栽了極紫外相機(jī)、陣列中性原子成像儀、月球軌道甚長基線干涉測量試驗(yàn)系統(tǒng)3臺科學(xué)載荷，同時(shí)，還配置了1臺科學(xué)載荷管理器，將開展月基對地球磁尾及等離子體層的探測和研究、月地甚長基線干涉測量試驗(yàn)和觀測研究等．

什么是中繼星

中繼星，可以概括為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，可為航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)．因?yàn)樵虑蚶@地球的公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相同，所以在地球上始終只能看到月球的正面，而永遠(yuǎn)看不到月球背面．因此．著陸在月球背面的探測器受到月球自身的遮擋．無法直接實(shí)現(xiàn)與地面保持通信，如果探測器在月球背面著陸．就需要在軌運(yùn)行月球中繼星架起“橋梁”．使在月球背面著陸的探測器通過中繼星與地面保持通信．

航天器繞月球飛行的軌道是橢圓形的．軌道中離月球最近的那個(gè)點(diǎn)是近月點(diǎn)．離月球最遠(yuǎn)的那個(gè)點(diǎn)是遠(yuǎn)月點(diǎn)．在遠(yuǎn)月點(diǎn)附近．“鵲橋二號”中繼星從月球南極上方路過．可以持續(xù)為在月球背面著陸的探測器提供通信中繼服務(wù).2024年6月2日至6月4日．“嫦娥六號”探測器在月球背面停留了48 h．進(jìn)行取樣作業(yè)，“鵲橋二號”中繼星每天為“嫦娥六號”探測器提供了20 h以上的通信服務(wù)．

更強(qiáng)的通信能力

“鵲橋二號”中繼星與2018年發(fā)射的“鵲橋”中繼星相比．更加復(fù)雜．“鵲橋二號”中繼星質(zhì)量達(dá)1.2 t．功率在1000 W以上．設(shè)計(jì)壽命超過8年——這讓“鵲橋二號”中繼星擁有更強(qiáng)的通信保障能力．

從外形上看，“鵲橋”系列中繼星最顯著的特征，就是擁有一把“金色大傘”．通過這把“金色大傘”，實(shí)現(xiàn)了地球與月球背面的通信，在入軌前，“金色大傘”處于收縮狀態(tài)：在發(fā)射進(jìn)入軌道的過程中，“金色大傘”展開，這個(gè)“金色大傘”還有個(gè)專業(yè)的名稱，叫固網(wǎng)結(jié)合的傘狀可展開拋物面天線，直徑達(dá)4.2 m，傘面由鍍金鉬絲織成，主要用于反射電磁波．所用的鉬絲非常細(xì)．還不到頭發(fā)絲直徑的四分之一．鉬絲表層鍍金以后更加牢固，信號反射率也更好，這樣更有利于“鵲橋二號”中繼星在復(fù)雜的太空環(huán)境中工作運(yùn)行．

在“鵲橋二號”中繼星上還有一把“小傘”，叫二維可驅(qū)動拋物面天線，它的直徑和質(zhì)量都很小，直徑大約只有0.6 m、質(zhì)量約20 kg.在太空中．通過兩軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)，保證其每時(shí)每刻都能指向地球上的地面數(shù)據(jù)接收站．

特殊的軌道選擇

與“鵲橋”中繼星不同的是，“鵲橋二號”中繼星不是圍繞地月拉格朗日L2點(diǎn)（地球、月球連線上一個(gè)特殊的點(diǎn)）運(yùn)行的，而是繞著月球運(yùn)行的，并且是遠(yuǎn)近軌結(jié)合的方式，這樣方便與“鵲橋”中繼星聯(lián)合使用，同時(shí)它可以更清楚地接收來自月面的信號．

探月工程四期的幾次任務(wù)都將對月球南極地區(qū)進(jìn)行考察．因此“鵲橋二號”中繼星選擇了一條十分特殊的環(huán)月使命軌道，該軌道與月球赤道的夾角為54.8°，近月點(diǎn)在月球北極上方．遠(yuǎn)月點(diǎn)在月球南極上方，周期為24 h．是一個(gè)環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道．

所謂凍結(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(jì)軌道參數(shù)，軌道漂移（可以理解為航天器受到月球引力等因素偏離目標(biāo)軌道的程度）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(shí)間內(nèi)，其軌道比較穩(wěn)定．因此，一旦進(jìn)入這個(gè)軌道，“鵲橋二號”中繼星可以最大程度地節(jié)省燃料，能夠保證其軌道的遠(yuǎn)月點(diǎn)一直位于月球南極上方，從而確保它可以長時(shí)間、穩(wěn)定地支持月球南極地區(qū)的探月任務(wù)．

【小編有話說】

以上文章中提到了“鵲橋二號”中繼星的環(huán)月使命軌道是橢圓形的．這實(shí)際上是以月球?yàn)閰⒄瘴飦碚f的．如果以地球?yàn)閰⒄瘴铮谤o橋二號”中繼星的運(yùn)動軌跡還是橢圓形嗎？如果以太陽為參照物呢？通過這些例子我們可以看出．參照物這個(gè)概念在物理學(xué)中是多么重要！

同學(xué)們可能還會有一個(gè)疑問，文章中為什么說“因?yàn)樵虑蚶@地球的公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相同．所以在地球上始終只能看到月球的正面”？同學(xué)們不妨利用身邊的物品，對月球相對地球的運(yùn)動情況進(jìn)行模擬，一定會恍然大悟．

本期“嘟嘟闖關(guān)記”參考答案

1．相對于嘟嘟乘坐的車．并排以同方向、相同速度行駛的另一輛車是靜止的，所以嘟嘟可以清楚地看到另一輛車內(nèi)的乘客．

2．聲音是由物體的振動產(chǎn)生的．骨傳導(dǎo)耳機(jī)通過發(fā)聲端振動，帶動顱骨振動，進(jìn)而將振動信號從發(fā)聲端傳遞到內(nèi)耳，內(nèi)耳在接收到振動信號后將其轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號，這樣使用者就能不經(jīng)過耳道和鼓膜聽音樂了．

3．嘟嘟接水過程中，水瓶發(fā)出的聲音實(shí)際上是由水瓶中的空氣柱振動產(chǎn)生的．隨著水位的升高．空氣柱越來越短，空氣柱的振動頻率也就逐漸升高，所以音調(diào)升高的本質(zhì)是空氣柱振動頻率的升高．

（本參考答案由命題者提供）