這是人類首次嘗試著陸月球背面。從此一橋飛架南北，天塹變通途。

鎂客注：

鵲橋、嫦娥、玉兔......中國(guó)航天器的名字都美的不像話！

在中國(guó)民間故事中，“鵲橋”是連接牛郎和織女的橋梁。而今早發(fā)射的中繼衛(wèi)星“鵲橋”，則將作為嫦娥4號(hào)通訊器的“探測(cè)官”，在地面和月球背面之間架起通信的橋梁，邁出了人類首次登錄月球的第一步。

本文開(kāi)頭的視頻，可以很快讓你在兩分鐘內(nèi)了解“鵲橋”。正文的內(nèi)容，則從為什么要發(fā)射“鵲橋”出發(fā)，以專業(yè)的角度詳細(xì)的介紹了“鵲橋”的外形、即將被送入的軌道，以及攜帶的科學(xué)儀器和將要執(zhí)行的主要任務(wù)等。

本文轉(zhuǎn)自永結(jié)無(wú)情游相期邈云漢；作者：haibaraemily；作者公眾號(hào)：永結(jié)無(wú)情游相期邈云漢（ID：haibaraemily_planets）。

視頻：2分鐘搞懂為什么要發(fā)射中繼星。來(lái)源：漫步宇宙

正文：

“嫦娥”未動(dòng)，“鵲橋”先行。

我國(guó)的第四個(gè)探月任務(wù)，嫦娥4號(hào)的中繼衛(wèi)星鵲橋于今天（2018年5月21日）凌晨在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地，由長(zhǎng)征4號(hào)丙（CZ-4C）運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

在今年4月24日的“中國(guó)航天日”主場(chǎng)活動(dòng)開(kāi)幕式上，這顆中繼衛(wèi)星被賦予了一個(gè)恰如其分的名字——“鵲橋”。

中繼衛(wèi)星是做什么的？

我國(guó)的嫦娥4號(hào)計(jì)劃著陸于月球背面南極艾肯盆地內(nèi)的馮·卡門(mén)隕石坑（中心位置44.8°S，175.9°E）中，并釋放月球車(chē)進(jìn)行探測(cè)。

圖 | 月球背面的馮·卡門(mén)撞擊坑。來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

這是人類首次嘗試著陸月球背面。

但由于月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期相同（這是月球被地球的引力逐漸鎖定的自然結(jié)果，太陽(yáng)系中眾多大衛(wèi)星都處于這樣的狀態(tài)，甚至系外行星中都有很多都已被母恒星鎖定），地球上的人類始終只能看到月球的正面，地面基站自然也只能收到來(lái)自月球正面的信號(hào)。

圖 | 已被潮汐鎖定的月球。制圖：haibaraemily

不過(guò)，這對(duì)很多月球觀測(cè)都是沒(méi)什么影響的——因?yàn)檐壍榔魇菚?huì)一圈一圈繞著月球飛的嘛，飛到背面時(shí)測(cè)到的數(shù)據(jù)，飛到正面時(shí)再傳回來(lái)就好了，只是有點(diǎn)延時(shí)而已，不是事兒。

事實(shí)上，人類在月球探測(cè)非常早的時(shí)期就已經(jīng)拍攝到月球背面的照片了——1957年，人類第一顆人造衛(wèi)星斯普尼克1號(hào)進(jìn)入太空；1958年，人類開(kāi)始月球探測(cè)；1959年10月7日，蘇聯(lián)的月球3號(hào)就已經(jīng)傳回了第一張?jiān)虑虮趁娴挠跋瘛?/p>

（左）為紀(jì)念蘇聯(lián)拍到月球背面的第一張影像發(fā)行的郵票；（右）為當(dāng)時(shí)傳回的第一張?jiān)虑虮趁嬗跋瘢筮叺陌瞪珔^(qū)域分別為危海、史密斯海、界海，下方為南海，右上為莫斯科海。來(lái)源：維基。

但有些需要實(shí)時(shí)保持聯(lián)絡(luò)的探測(cè)項(xiàng)目就出問(wèn)題了。

比如激光測(cè)月就是不行的。就是在月球上安裝激光反射棱鏡，通過(guò)從地球上打激光去月球并接收反射回來(lái)的激光，就可以精確測(cè)量地球和月球的距離和距離的變化，并用來(lái)推測(cè)與之相關(guān)的各種地球物理參數(shù)——這東西裝在月球背面顯然是不行的。

（左）人類迄今為止安裝在月球上的所有激光反射棱鏡，目前只有美國(guó)的阿波羅11、14、15和蘇聯(lián)的月球21號(hào)安裝的共4個(gè)棱鏡還在工作中；（右）阿波羅14號(hào)在月球表面安裝的激光反射棱鏡。來(lái)源：NASA

重力測(cè)量也是不行的。行星的重力場(chǎng)測(cè)量通常采用無(wú)線電信號(hào)的多普勒頻移來(lái)計(jì)算，這就需要時(shí)刻保持多普勒信號(hào)的跟蹤，不能中斷。所以一旦探測(cè)器飛到了月球背面，就測(cè)不成重力了……怎么辦？涼拌。沒(méi)有就是沒(méi)有。事實(shí)上，直到1998年的月球探勘者號(hào)探測(cè)器，也就是人類開(kāi)始探索月球的40年后， 都沒(méi)有辦法直接測(cè)量月球背面的重力場(chǎng)信息。

這個(gè)問(wèn)題直到2007年日本的月神1號(hào)探測(cè)器采用了一顆中繼衛(wèi)星（Rstar）才得以解決。再到2011年NASA的GRAIL重力探測(cè)器，直接發(fā)射了兩顆衛(wèi)星一前一后編隊(duì)飛行，彼此之間再也不用擔(dān)心“失聯(lián)”，一舉把月球全球重力場(chǎng)測(cè)量提高了一個(gè)量級(jí)。

（左）使用中繼衛(wèi)星進(jìn)行月球背面重力測(cè)量的日本月神1號(hào)探測(cè)器，來(lái)源：JAXA；（右）使用雙星編隊(duì)飛行的NASA GRAIL探測(cè)器，來(lái)源：NASA

在月球背面釋放著陸器和月球車(chē)更加不行了，別說(shuō)實(shí)時(shí)通訊了，啥時(shí)候都不能通訊。所以嫦娥4號(hào)的著陸器和月球車(chē)要怎么辦呢？還是要靠中繼衛(wèi)星。只不過(guò)，這時(shí)候的中繼衛(wèi)星不是為了跟蹤測(cè)量，而是為了保持和地球基站的通訊了。看到這里，想必讀者一定已經(jīng)明白，咱們?yōu)槭裁匆o嫦娥4號(hào)這顆通訊中繼衛(wèi)星取名叫“鵲橋”了吧？

嗯，纖云弄巧，飛星傳恨，銀漢迢迢暗度。

中繼衛(wèi)星要被送到哪里去？

鵲橋號(hào)將被送入一個(gè)叫做環(huán)地月拉格朗日L2點(diǎn)的軌道。拉格朗日點(diǎn)又叫做平動(dòng)點(diǎn)，兩個(gè)天體周邊一共有5個(gè)這樣的點(diǎn)。

兩個(gè)天體周邊的5個(gè)拉格朗日點(diǎn)L1-L5。圖中所示的是日地的5個(gè)拉格朗日點(diǎn)，地月的5個(gè)拉格朗日點(diǎn)以此類推。來(lái)源：維基

在這些點(diǎn)上，兩個(gè)天體的引力綜合影響達(dá)到平衡，其中L2點(diǎn)就是地月連線上遠(yuǎn)離地球的那個(gè)點(diǎn)。處于拉格朗日點(diǎn)附近的探測(cè)器，可以始終保持相對(duì)于兩個(gè)天體幾乎靜止的位置，這也就意味著，可以保持穩(wěn)定的通訊。

除此之外，L2點(diǎn)也好處多多，在這附近的探測(cè)器，不僅可以獲得更好的光照條件，而且維持軌道所需的能量還更小。

其實(shí)，在環(huán)地月L2軌道上放一顆通訊衛(wèi)星，來(lái)為月球背面的任務(wù)提供通訊中繼，這個(gè)想法早在1972年就已由NASA戈達(dá)德空間飛行中心的軌道設(shè)計(jì)專家Robert Willard Farquhar提出[2]，但直到四十多年后的今天，才將首次由鵲橋號(hào)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)眼四十年，一種穿越時(shí)空的回響。

Robert Willard Farquhar在1972年提出的環(huán)L2點(diǎn)軌道設(shè)計(jì)，L2點(diǎn)與月球之間的距離約為64500千米，而中繼星在一個(gè)以地月L2點(diǎn)為中心，半徑3500千米的軌道上，做周期約14天的圓周運(yùn)動(dòng)[2]

中繼星鵲橋號(hào)長(zhǎng)什么樣子？

鵲橋使用的是我國(guó)空間技術(shù)研究院CAST100微小衛(wèi)星通用平臺(tái)，加上約100千克的無(wú)水肼推進(jìn)劑燃料總共也就只有四百多千克重。鵲橋號(hào)機(jī)身長(zhǎng)方體，采用板式結(jié)構(gòu)，可由鋰電池和太陽(yáng)能板供電。頂部安裝了一個(gè)直徑4.2米的傘狀拋物面天線作為衛(wèi)星收發(fā)著陸器/月球車(chē)信號(hào)的高增益天線，也就是說(shuō)在發(fā)射階段會(huì)收攏，入軌后再打開(kāi)。

鵲橋號(hào)的設(shè)計(jì)圖。來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

這種方式比較節(jié)省發(fā)射空間，是中繼衛(wèi)星和微衛(wèi)星比較常用一種天線設(shè)計(jì)方式。比如NASA的中繼衛(wèi)星TDRS 7和雷達(dá)微衛(wèi)星RainCube都是類似的天線設(shè)計(jì)。

NASA的地球中繼衛(wèi)星TDRS 7（左）和雷達(dá)微衛(wèi)星RainCube（右）示意圖。來(lái)源：NASA

↓RainCube的高清實(shí)物圖長(zhǎng)這樣（來(lái)源：NASA）

打開(kāi)的過(guò)程嘛，應(yīng)該跟RainCube這張差不多……

鵲橋號(hào)與著陸器/月球車(chē)之間的收發(fā)信號(hào)和數(shù)據(jù)使用X波段，與地面測(cè)站之間的收發(fā)信號(hào)和數(shù)據(jù)使用S波段（鵲橋號(hào)向地面測(cè)站傳輸數(shù)據(jù)也可以使用X波段）。著陸器/月球車(chē)向中繼星的最大上傳速率有280/560kb/s，地面測(cè)站從中繼星的最大下載速率有2000/10000kb/s。同時(shí)，著陸器可以接收來(lái)自月球車(chē)的UHF波段訊息，再把這些訊息以X波段傳回給鵲橋號(hào)。著陸器/月球車(chē)向中繼星的上傳速率最大有280/560kb/s，地面測(cè)站從中繼星的下載速率最大有2000/10000kb/s。

中繼星（relay satellite）與地面測(cè)站（ground satiation）/著陸器（lander）/月球車(chē)（rover）之間的通訊鏈路。來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]

中繼星鵲橋號(hào)帶了哪些科學(xué)儀器？

除了通訊中繼這個(gè)主任務(wù)之外，為了充分利用月球背面的絕佳地理位置，鵲橋號(hào)還帶了兩件寶貝：

一件是與荷蘭合作研發(fā)的低頻射電探測(cè)儀（NCLE）。由于大氣層和電離層的干擾，地球上的測(cè)站幾乎無(wú)法進(jìn)行低頻射電天文觀測(cè)，而月球背面這塊風(fēng)水寶地，可以很大程度上屏蔽這些干擾。鵲橋號(hào)攜帶的NCLE儀器，將在處于月球背面的L2點(diǎn)附近進(jìn)行射電天文測(cè)量、太陽(yáng)風(fēng)暴和行星無(wú)線電脈沖探測(cè)等一系列實(shí)驗(yàn)性的天文實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)測(cè)試驗(yàn)收的中荷低頻射電探測(cè)儀（NCLE）。來(lái)源：Twitter@ASTRON_NL

另一件是170毫米孔徑的激光角反射鏡。前面我們說(shuō)過(guò)，月球背面上的測(cè)站是無(wú)法進(jìn)行激光測(cè)距的，但地月拉格朗日L2點(diǎn)可以呀！在這里架設(shè)的激光反射鏡，不僅不會(huì)被月球遮擋，而且還可以測(cè)到比月球正面的幾個(gè)激光反射棱鏡離地球更遠(yuǎn)的距離。配合地面0.5米口徑的激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和1米口徑的激光接收望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)可以達(dá)到精度優(yōu)于15毫米的單程測(cè)距，測(cè)距結(jié)果還可以幫助鵲橋號(hào)進(jìn)行軌道校驗(yàn)[1]。

激光角反射鏡工作原理圖。來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

除了鵲橋號(hào)，這次還會(huì)順帶捎點(diǎn)啥？

由于執(zhí)行此次鵲橋號(hào)發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征4號(hào)丙（CZ-4C）運(yùn)載火箭尚有余力，這次還將一同發(fā)射兩顆微衛(wèi)星，這兩顆微衛(wèi)星由哈爾濱工業(yè)大學(xué)負(fù)責(zé)研發(fā)，因此取名叫龍江1號(hào)和龍江2號(hào)。

龍江1號(hào)和2號(hào)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖。來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]

龍江1號(hào)和2號(hào)將被送入一個(gè)距離月球300千米×3000千米的環(huán)月橢圓軌道，然后一前一后編隊(duì)飛行，以相距1～10千米（基線長(zhǎng)度）的距離進(jìn)行超長(zhǎng)波天文干涉測(cè)量等實(shí)驗(yàn)。其中一顆微衛(wèi)星還搭載了一臺(tái)沙特阿拉伯研制的微型光學(xué)相機(jī)。

龍江1號(hào)和2號(hào)一前一后編隊(duì)飛行。來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]

而嫦娥4號(hào)的主角，著陸器和月球車(chē)，將于鵲橋號(hào)發(fā)射半年之后的12月發(fā)射升空。鵲橋號(hào)的設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)五年以上，也就是說(shuō)，除了給設(shè)計(jì)壽命分別為6個(gè)月和3個(gè)月的嫦娥4號(hào)的著陸器和月球車(chē)提供中繼服務(wù)之外，這顆衛(wèi)星還將會(huì)繼續(xù)在環(huán)地月拉格朗日L2點(diǎn)軌道上運(yùn)行很久，給接下來(lái)國(guó)內(nèi)外的月球背面探測(cè)任務(wù)提供中繼服務(wù)。

在各個(gè)波段看宇宙

制圖/中國(guó)國(guó)家天文

致謝：本文感謝知友 @鸑鷟鹓鶵、@太空精釀 對(duì)本文內(nèi)容提升所做的幫助。

參考

[1] 吳偉仁, 王瓊, 唐玉華, 于國(guó)斌, 劉繼忠, & 張瑋等. (2017). "嫦娥4號(hào)"月球背面軟著陸任務(wù)設(shè)計(jì). 深空探測(cè)學(xué)報(bào), 4(2), 111-117.

[2] Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.

[3] 張錦繡，陳學(xué)雷，曹喜濱，等. 月球軌道編隊(duì)超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星任務(wù)[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（2）：158-165.

[4] Ye, P., Sun, Z., Zhang, H., & Li, F. (2017). An overview of the mission and technical characteristics of Change’4 Lunar Probe. Science China Technological Sciences, 60(5), 658-667.

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