來源：中國空間技術(shù)研究院微信公眾號

5月21日，嫦娥四號中繼星“鵲橋”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。作為嫦娥四號探月工程的關(guān)鍵一環(huán)，“鵲橋”的成功發(fā)射，標志著我國成功邁出了月球背面登陸工程中的第一步。截至目前，中國空間技術(shù)研究院已研制發(fā)射236顆航天器。

  由于月球的公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度相等，月球背面無法看見地球，因此嫦娥四號任務(wù)需要首先發(fā)射一顆中繼星，解決與月球背面的通信問題，這也將是世界首顆連通地月的中繼衛(wèi)星，為著巡組合體安全抵達月球背面構(gòu)筑信息通路。嫦娥四號中繼星“鵲橋”由中國空間技術(shù)研究院下屬航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制。

  第一顆地球軌道外專用中繼通信衛(wèi)星

隨著深空探測的發(fā)展，以及對月球和月球之外的天體和空間的探測，人類將航天活動的范圍擴展到月球、火星等天體處，隨之面臨著測控通信遠距離損失劇增、低覆蓋率、延時較大等許多技術(shù)難點。為了克服地基測控網(wǎng)絡(luò)的不足，同時為了適應(yīng)未來航天技術(shù)的發(fā)展，需要尋找新的航天測控系統(tǒng)體制和更優(yōu)的傳輸方式，以實現(xiàn)衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用中繼衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)運而生。

對月中繼通信是利用中繼衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)站，對環(huán)月、落月飛行器的信號進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信方式，其一般是利用與地球長期可見的中繼衛(wèi)星在環(huán)月或落月飛行器和地面站之間建立一條全天候、實時的高速通信鏈路，可為衛(wèi)星、飛船等飛行器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，并實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)實時下傳至地面，極大提高此類衛(wèi)星使用效益。

“鵲橋”是我國首顆，也是世界首顆地球軌道外專用中繼通信衛(wèi)星。作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，它能夠?qū)崟r的把在月面背面著陸的嫦娥四號探測器發(fā)出的科學(xué)數(shù)據(jù)第一時間傳回地球，具有重大的科學(xué)與工程意義，也是人類探索宇宙的又一有力嘗試。

  第一顆在地月L2平動點上

  采用Halo軌道的衛(wèi)星

自從牛頓提出萬有引力定律以來，人們將其運用于計算太陽系中天體的位置。但是萬有引力定律描述的都是兩個天體之間的關(guān)系，在只有兩個天體的情況下，用牛頓理論可以很容易地得到天體的運行軌道，但是三個天體之間的作用力關(guān)系非常復(fù)雜以至于難以求解，稱為三體問題。瑞士科學(xué)家歐拉和法國科學(xué)家拉格朗日針對三體問題，求解出了五個特殊解，即L1-L5點，也稱為拉格朗日點。由于其特殊的空間位置和動力學(xué)特性，拉格朗日點成為開展空間探測的最佳位置。很多科學(xué)衛(wèi)星都運行在拉格朗日點附近的軌道上。

為了實現(xiàn)對月球背面著陸器和巡視器的中繼任務(wù)，“鵲橋”的使命軌道為月球背面一側(cè)的地月L2平動點Halo軌道，這也是人類航天器首次涉足該軌道。根據(jù)設(shè)計，“鵲橋”衛(wèi)星將在L2點做擬周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩(wěn)定性。地月L2平動點位于地月連線的延長線上，距月球距離約6.5萬公里。由于地月距離是變化的，L2點距離月球的距離也是變化的，通過對使命軌道的設(shè)計，“鵲橋”與月球的距離不大于8萬公里，可實現(xiàn)對著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

  人類深空探測任務(wù)史上最大口徑通信天線

深空探測任務(wù)中難度最大的就是如何確保遠距離數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠建立，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)。

中繼星“鵲橋”上架設(shè)了一副展開后口徑達近5米的傘狀天線，這是人類深空探測器歷史上攜帶的最大口徑通信天線，它為“鵲橋”和地球之間鋪設(shè)了一架宏偉的高速橋梁，讓遙遠的星地距離變?yōu)榇蟮劳ㄍ?，每時每刻將寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)從廣邈的外太空實時送達地球。

為了實現(xiàn)和保障“鵲橋”中繼功能的順利實現(xiàn)，研制人員給它配備了多副天線。其中，大口徑傘狀天線是最關(guān)鍵的一副，它直接指向月球，將與今年要發(fā)射的嫦娥四號探測器對接，不僅要將地面的測控指令說給探測器聽，還要聽清楚探測器給中繼星說了些啥。傘天線，顧名思義，像一把傘一樣，在中繼星與火箭分離一段時間后，這把“傘”就打開了，這把“傘”在太空中需要經(jīng)歷嚴酷的考驗。嫦娥四號中繼星在浩瀚的太空中還會經(jīng)歷一段沒有光照的陰影區(qū)，陰影區(qū)的溫度是-200℃左右，最冷的地方將達到-230℃，在如此嚴寒下，傘天線全身都“凍僵了”。為了讓它從“凍僵”的狀態(tài)中恢復(fù)過來，研究院的設(shè)計師們做了包括力學(xué)、熱學(xué)等不計其數(shù)的試驗，有效保障了傘天線能夠克服嚴酷環(huán)境。

  編輯：胡瀟瀟

  責編：邵素芝

  素材：航天東方紅衛(wèi)星有限公司

   空間電子信息技術(shù)研究院