人民網(wǎng)北京5月21日電 “嫦娥奔月”這一家喻戶曉的神話故事，講述著中華民族千百年來好奇宇宙、探索月球的美好夙愿。2013年底，“嫦娥三號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)了在月球正面的軟著陸并完成了巡視探測任務(wù)，樹立了中國探月史上的一座豐碑。這一成功，進(jìn)一步激發(fā)了我國對(duì)月球背面開展科學(xué)探測和登陸巡視的信心。2015年11月30日，探月工程重大專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)嫦娥四號(hào)任務(wù)組織實(shí)施，標(biāo)志著月球背面登陸探測的正式開始。2018年5月21日，由中國航天科技集團(tuán)研制的嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，邁出了我國月球背面登陸的關(guān)鍵一步。

神秘的月球“背面”

眾所周知，宇宙中的天體都處于自轉(zhuǎn)的狀態(tài)，月球也不例外。然而，月球在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，也在圍繞著地球公轉(zhuǎn)，這兩種運(yùn)動(dòng)恰好達(dá)到了一種平衡，導(dǎo)致了月球永遠(yuǎn)都只有一面面向地球，而另一面則永遠(yuǎn)處于背向地球的陰影中。因此，月球“背面”探測成為航天事業(yè)中的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。美國、歐洲各國等都提出過探測月球背面的計(jì)劃，但由于種種原因，最終都未能實(shí)施。目前，人類還沒有探測器到達(dá)神秘的月球背面。

為什么要研制發(fā)射中繼星“鵲橋”？

月球背面登陸探測面臨著一個(gè)很大的難題，那就是由于月球本身的遮擋，運(yùn)行到月球背面的著陸器和巡視器無法與地球之間進(jìn)行通信，可謂是“兩眼一抹黑”。因此，如何解決著陸器和巡視器在月球背面時(shí)與地球之間的通信就成為進(jìn)行月球背面登陸探測的關(guān)鍵難題。

“鵲橋”的本質(zhì)是一顆地月中繼通信衛(wèi)星。通過發(fā)射中繼星“鵲橋”，可以以“鵲橋”為通信中繼點(diǎn)，從而繞過月球?qū)崿F(xiàn)著陸器和巡視器與地面之間的通信。正因如此，中繼星“鵲橋”與地球和月球背面之間都必須無遮擋，這對(duì)“鵲橋”的運(yùn)行軌道設(shè)定了較高的要求。

“鵲橋”的運(yùn)行軌道是怎樣的？

每一顆衛(wèi)星在宇宙中都有自己的運(yùn)行軌道，例如地球同步軌道、太陽同步軌道等，中繼星“鵲橋”也不例外?！谤o橋”的運(yùn)行軌道為繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)的Halo軌道。這一運(yùn)行軌道具有長期與月球背面可見、地球方地面站對(duì)中繼星跟蹤弧段長、軌道維持代價(jià)較小等優(yōu)點(diǎn)。

所謂“地月L2平動(dòng)點(diǎn)”，也稱作地月拉格朗日點(diǎn)，是指在地球和月球這一二體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的引力動(dòng)平衡點(diǎn)。根據(jù)研究，在地月二體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中共存在五個(gè)平動(dòng)點(diǎn)，運(yùn)行于這五個(gè)平動(dòng)點(diǎn)的探測器可以以較低的消耗維持與地月二體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)幾何構(gòu)型不變。其中L2平動(dòng)點(diǎn)處于月球背面的地月延長線上，可實(shí)現(xiàn)地球與月球背面的中繼通信功能。

至于Halo軌道，則是由美國人Farquhar在1967年提出的概念，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NASA航天局曾計(jì)劃在阿波羅17號(hào)任務(wù)中進(jìn)行實(shí)施，但最終由于風(fēng)險(xiǎn)較大等原因而放棄。

“鵲橋”是如何實(shí)現(xiàn)中繼通信功能的？

中繼星“鵲橋”由平臺(tái)系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)兩部分組成，裝載有傘狀拋物面天線、測控天線和數(shù)傳天線三類低頻射電天線。其中，傘狀天線展開直徑可達(dá)近5米，是人類深空探測任務(wù)史上最大口徑的通信天線。

中繼星“鵲橋”采用對(duì)地鏈路統(tǒng)一，對(duì)月鏈路獨(dú)立的設(shè)計(jì)方式。針對(duì)地面發(fā)送的中繼星及月球探測器上行指令與數(shù)據(jù)，統(tǒng)一使用一條鏈路；中繼星與月球探測器的下傳數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用一條鏈路。中繼星向月球探測器轉(zhuǎn)發(fā)指令和數(shù)據(jù)分別使用一條獨(dú)立鏈路，接收月球探測器數(shù)據(jù)時(shí)也分別使用一條獨(dú)立鏈路。

“鵲橋”的成功發(fā)射具有哪些重要意義？

中繼星“鵲橋”是中國航天科技集團(tuán)自主研發(fā)的地月中繼通信衛(wèi)星，同時(shí)也是人類歷史上第一顆地球軌道外專用中繼通信衛(wèi)星，也是第一顆在地月L2平動(dòng)點(diǎn)上采用Halo軌道的衛(wèi)星?！谤o橋”的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國率先掌握了地月中繼通信技術(shù)，這是我國在月球探測領(lǐng)域取得的新突破。

此外，中繼星“鵲橋”的成功發(fā)射，為后續(xù)嫦娥四號(hào)成功著陸月球背面開展探測任務(wù)奠定了關(guān)鍵性的基礎(chǔ)，為嫦娥四號(hào)探月工程的圓滿完成提供了有力保障。