“鹊桥”的重大使命

2018-05-24 08:52 经济日报

打印 放大 缩小

在天体运行过程中,月球永远以同一面朝向地球,留给人类关于月球“背面”的无尽遐想。中国的嫦娥四号探测器将在人类历史上首次登陆月球“背面”,揭开其神秘面纱

“嫦娥”未动,“鹊桥”先行。2018年5月21日,由中国航天科技集团研制的嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心发射,它的使命是在地球和未来将降落在月球背面的嫦娥四号探测器之间,搭建一座传输信号与数据的桥梁。

神秘的月球“背面”

由于月球永远都仅有一面面向地球,月球“背面”探测成为航天事业中的一个热点和难点。然而,人类目前还没有探测器到达过月球背面

众所周知,宇宙中的天体都处于自转状态,月球也不例外。然而,月球在自转的同时,也在围绕着地球公转,这两种运动恰好达到了一种平衡——导致月球永远都仅有一面面向地球,而另一面则永远处于背向地球的阴影中。因此,月球“背面”探测成为航天事业中的一个热点和难点。美国、欧洲各国等都提出过探测月球背面的计划,但由于种种原因,最终都未能实施。目前,人类还没有探测器到达神秘的月球背面。

月球背面登陆探测面临着一个很大的难题——那就是由于月球自身的遮挡阻隔,运行到月球背面的着陆器和巡视器无法与地球之间进行通信,可谓“两眼一抹黑”。因此,如何解决着陆器和巡视器在月球背面时与地球之间的通信,成为月球背面登陆探测的关键难题。

令人欣喜的是,嫦娥四号的专用中继卫星“鹊桥”,可以解决这个难题。它发射到位于地球、月球延长线上的地月拉格朗日L2点,让月球处于地球和中继卫星之间。这样,“鹊桥”既能“看到”月球背面,也能“看到”地球。这座“鹊桥”的搭设,将建立起未来在月球背面着陆的嫦娥四号探测器与地面测控网络的联系,帮助揭开月球背面的神秘面纱。简言之,“鹊桥”的使命犹如太空转发站,负责把来自于地球的信息传递给位于月球背面的嫦娥四号探测器,再接收嫦娥四号探测器搜集到的信息传送回地球,从而绕过月球实现着陆器和巡视器与地面之间的通信。

“鹊桥”的运行轨道

“鹊桥”的运行轨道要求较高,其与地球和月球背面之间必须无遮挡,具有长期与月球背面可见、地球方地面站对中继星跟踪弧段长等优点

每一颗卫星在宇宙中都有自己的运行轨道,例如地球同步轨道、太阳同步轨道等,中继星“鹊桥”也不例外。中继星“鹊桥”与地球和月球背面之间必须无遮挡,这对“鹊桥”的运行轨道设定要求较高。

“鹊桥”的运行轨道为绕地月L2平动点的Halo轨道。这一运行轨道具有长期与月球背面可见、地球方地面站对中继星跟踪弧段长、轨道维持代价较小等优点。

“地月L2平动点”,也称作地月拉格朗日点,是指在地球和月球这一二体旋转系统中的引力动平衡点。自从牛顿提出万有引力定律以来,人们将其运用于计算太阳系中天体的位置。但是,万有引力定律描述的都是两个天体之间的关系。在仅有两个天体的情况下,运用牛顿理论可以很容易地得到天体的运行轨道。然而,3个天体之间的作用力关系就非常复杂了,以至于难以求解,称为“三体问题”。对此,瑞士科学家欧拉和法国科学家拉格朗日针对三体问题求解出了5个特殊解,即L1-L5点,也称为“拉格朗日点”。由于它特殊的空间位置和动力学特性,拉格朗日点成为开展空间探测的最佳位置。很多科学卫星都运行在拉格朗日点附近的轨道上。其中,L2平动点处于月球背面的地月延长线上,与月球的距离约为6.5万公里。由于地月距离是变化的,L2点与月球的距离也是变化的,通过对使命轨道的设计,“鹊桥”与月球的距离不大于8万公里,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖。根据设计,“鹊桥”卫星将在L2点做拟周期运动,通过定期轨道控制保持轨道的稳定性。

至于Halo轨道,则是由美国人Farquhar在1967年提出的概念。根据他的构想,如果在这一轨道上放置一颗中继通信卫星,可以为月球背面着陆的探测器提供通信中继服务。基于这一构想,美国国家航空航天局(NASA)曾计划在阿波罗17号任务中实施,但最终由于风险较大等原因而放弃。因此,中国的“鹊桥”将是人类航天器首次涉足该轨道。

如何实现中继通信

中继通信分系统是“鹊桥”卫星最核心的部分,它建立了3条链路,可以实现其与嫦娥四号探测器的双向通信,以及与地面的双向通信

当“鹊桥”顺利飞达拉格朗日L2点后,有效载荷将全部开通,实现中继服务。那么,“鹊桥”究竟如何履行“嫦娥先行官”的职责呢?

提供中继服务是通过中继通信分系统实现的,这一系统也是“鹊桥”卫星最核心的部分。它在地、月、星之间建立了3条链路——对月前向链路、对月反向链路以及对地数传链路,这3条链路可以实现“鹊桥”与后续发射的嫦娥四号探测器的双向通信,以及“鹊桥”与地面的双向通信。据中国航天科技集团五院西安分院“鹊桥”卫星副总设计师张爱兵介绍:“在这3条链路中,对月反向链路的研制是最难的。因为我们必须在星上资源十分有限的情况下,解决信号高灵敏度接收和信号连续跟踪等一系列难题。”

嫦娥四号探测器要在月球背面活动,而“鹊桥”则在围绕拉格朗日L2点的轨道运转,因此,嫦娥四号探测器和“鹊桥”之间有相对运动。这样一来,“鹊桥”接收嫦娥四号发出的信号难度就非常大,就好像垒球手要接住对方击打出的垒球一样。对一般的卫星而言,击打垒球的位置是一定的,接球手需要判断球的速度和方向相对容易一些;而对于“鹊桥”卫星这名“接球手”来说,“击球手”是满场跑的,球飞出的速度和方向变化多端,“鹊桥”卫星就得有“乾坤大挪移”的本领,随时接住嫦娥四号探测器发出的信号。为练就这个本领,“鹊桥”卫星的中继通信分系统与嫦娥四号探测器在地面的联试做了9次,设计师们通过不断优化方案,终于成功实现了所有功能需求。

由于嫦娥四号探测器的身材小,其随身携带的信号收发天线装置也相对较小,导致其发射信号较弱。为了能够保障中继星和探测器的联系,中继通信分系统设置了多种不同的码速率,具备了“自适应数字调节”能力,可以克服嫦娥四号探测器发出的信号微弱、不稳定等带来的信号捕捉困难,为“鹊桥”和嫦娥四号探测器信息传递开辟出“绿色通道”。

“鹊桥”中继通信卫星由中国航天科技集团自主研发,其成功发射,标志着我国率先掌握了地月中继通信技术,这是我国在月球探测领域取得的新突破。它将为后续嫦娥四号成功着陆月球背面开展探测任务奠定关键性基础,为嫦娥四号探月工程的圆满完成提供有力保障。

责任编辑:詹婷婷(QT0006)