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“鵲橋”出征,呼喚嫦娥!中國成功發(fā)射人類首個(gè)月球信號(hào)中繼星
關(guān)鍵字: 鵲橋嫦娥四號(hào)嫦娥四號(hào)中繼星5月21日5點(diǎn)28分,在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,由中國航天科技集團(tuán)有限公司抓總研制的嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”搭乘長征四號(hào)丙運(yùn)載火箭升空。衛(wèi)星由火箭送入近地點(diǎn)約200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)約40萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道。拍攝:我們的太空 呂炳宏
月球是地球唯一的天然衛(wèi)星,陪伴地球已經(jīng)超過45億年。它對地球地軸指向、自轉(zhuǎn)穩(wěn)定、周期潮汐、夜晚照明等有著巨大意義。可以說,離開了月球,地球根本不會(huì)是今天這種光景。
1.人類永遠(yuǎn)只能看到月球的“一面”
由于地球強(qiáng)大引力的影響,月球也付出了很大代價(jià):地球?qū)⑺淖赞D(zhuǎn)周期減慢為與圍繞地球公轉(zhuǎn)周期完全一樣,也就是潮汐鎖定。
在這種效應(yīng)下,身處地球的人類基本永遠(yuǎn)只看到月球的“正面”,只能在月球的天秤動(dòng)效應(yīng)下(月球軌道是橢圓,在軌道不同點(diǎn)的公轉(zhuǎn)速度不同,月球自轉(zhuǎn)也相對地球軌道面有一定傾角)看到月球“背面”一小部分(積累下來的極限是18%)。但總體來看,人類是無法看全月球背面的。
人類在地球上永遠(yuǎn)只能看到的月球正面(左)和看不全的背面(右)(圖片來源于NASA)
即便到了載人航天時(shí)代,由于月球整體的阻攔,背面成了地面通信的禁區(qū)。在過去的60年內(nèi),人類已經(jīng)發(fā)射了超過百個(gè)月球探測器,其中有65個(gè)月球著陸器,但僅有非載人的環(huán)繞月球軌道器和載人的阿波羅8/10/11/12/13/14/15/16/17看到過月球背面,沒有任何一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)月球背面的著陸。
也正因如此,人類關(guān)于月球背面的陰謀論和謠言甚囂塵上,外星人基地、納粹殘余、月球人家園,這些甚至廣泛出現(xiàn)在各種科幻作品中,各種演繹充滿想象力。月球背面甚至得名“月之暗面”(盡管實(shí)際上背面也能被太陽照到,只是人類看不到而已)。
為實(shí)現(xiàn)月球背面的探測、登陸與研究,就必須把信號(hào)傳遞到那里。現(xiàn)在這個(gè)方案就是中國嫦娥四號(hào)登陸信號(hào)中繼星,人類歷史上首個(gè),妥妥的。
2. 信號(hào)中繼衛(wèi)星,是什么?
相信大家也可以想到:載人飛船環(huán)繞地球運(yùn)行時(shí),90分鐘左右就能繞地球一周,如果到地球背面時(shí),該怎么聯(lián)系?
主要有三種方案:
1.全球布網(wǎng)測控站,但需要世界范圍內(nèi)都買單的強(qiáng)大政治影響力,還有海洋無法建站因素,顯然很難;
2. 建立移動(dòng)測控站,比如我國前后7艘遠(yuǎn)望號(hào)測量船中的2艘左右會(huì)在火箭發(fā)射時(shí)駛?cè)氪笱?,但顯然每次都航行到地球另一側(cè)不現(xiàn)實(shí);
3. 在太空中建立信號(hào)中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),它們運(yùn)轉(zhuǎn)在距離地面35786千米高的軌道,與地球自轉(zhuǎn)同步,只要3-4顆足夠覆蓋全球,它們就是“天眼”,但技術(shù)難度顯然最高。
第三種提到的就是信號(hào)中繼衛(wèi)星,它們的功能就是接收、加工、轉(zhuǎn)發(fā)其他衛(wèi)星的信息,換句話說:“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。擁有這個(gè)技術(shù)的國家/地區(qū)有美國、俄羅斯、歐洲、中國、日本,但目前處在完整工作狀態(tài)下的中繼衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中,僅有美國和中國能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋。
舉個(gè)典型的例子,2003年,中國航天第一人楊利偉進(jìn)入太空,彼時(shí)他只能在飛到中國附近衛(wèi)星測控站時(shí)才能與地球聯(lián)系。無論是跟國防部長通話還是跟家人問候,一次大概5分鐘就必須草草結(jié)束。
王亞平授課是通過天鏈一號(hào)系統(tǒng)(圖片改編自中新網(wǎng))
而到了2013年神舟十號(hào),王亞平就已經(jīng)能在太空中實(shí)現(xiàn)51分鐘的太空授課,期間飛船繞了地球大半圈。到了神舟十一號(hào),景海鵬和陳冬已經(jīng)能看地面電視直播了。
他們依賴的就是我國覆蓋全球的四顆信號(hào)中繼衛(wèi)星,天鏈一號(hào)。
3. 為了嫦娥四號(hào),咱也送一顆中繼衛(wèi)星去月球?
為探測月球背面發(fā)射信號(hào)中繼星,在1960年代NASA準(zhǔn)備阿波羅登月項(xiàng)目時(shí)就有提出,直到任務(wù)結(jié)束也沒有被立項(xiàng)?,F(xiàn)在最多的應(yīng)用是在眾多火星軌道器上,它們既探測火星,又為地面上的火星車和著陸器中繼信號(hào)。
嫦娥四號(hào)將在年底成為人類歷史上第一個(gè)踏足月球背面的探測器。既然月球擋住了背面,為了給嫦娥四號(hào)和玉兔號(hào)月球車實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù),它的信號(hào)中繼衛(wèi)星需要提前出發(fā)準(zhǔn)備,這自然也是人類歷史上首個(gè)月球信號(hào)中繼衛(wèi)星。
嫦娥四號(hào)信號(hào)中繼衛(wèi)星帶有一個(gè)口徑4.2米的傘面天線 (圖片來源于吳偉仁等,詳見注1)
在2018年4月24日中國航天日,這個(gè)中繼衛(wèi)星被命名為“鵲橋”,想必這個(gè)名字的典故和來歷,不需要補(bǔ)充了。
不過不同于大型的天鏈系列衛(wèi)星,鵲橋使用的是我國空間技術(shù)研究院CAST100衛(wèi)星平臺(tái),這是一個(gè)微小衛(wèi)星通用平臺(tái),因而鵲橋也的確“身輕如鵲”,只有包含燃料也僅有幾百千克。
為了穩(wěn)定在遙遠(yuǎn)的深空同時(shí)保證對地月通訊的穩(wěn)定,鵲橋必須定位在一個(gè)叫做地月拉格朗日二點(diǎn)的位置附近,選擇一條獨(dú)特的Halo軌道。在此前2014年的嫦娥五號(hào)T1測試飛行器已經(jīng)驗(yàn)證了相關(guān)軌道轉(zhuǎn)移和控制技術(shù)。
拉格朗日點(diǎn)又叫做平動(dòng)點(diǎn),對于兩個(gè)天體而言,它們的綜合引力影響在這些點(diǎn)(共計(jì)5個(gè))達(dá)到平衡,那么航天器處在這個(gè)位置附近的Halo軌道時(shí)將會(huì)相對兩個(gè)天體幾乎靜止。拉格朗日二點(diǎn)就是引力平衡、在較小天體外側(cè)的點(diǎn),在月球背后。因此,選擇這個(gè)點(diǎn)有三個(gè)重大優(yōu)勢:
a. 隨著這兩個(gè)天體一同運(yùn)動(dòng)并與二者處在幾何關(guān)系幾乎不變的狀態(tài);
b. 兩個(gè)天體引力平衡,衛(wèi)星所需要的軌道維持燃料極少;
c. 沒有天體遮擋,一直暴露在日照之下,太陽能豐富。
中繼星與地球、月球的軌道關(guān)系 (圖片來源于吳偉仁等,詳見注1)
因此,對于設(shè)計(jì)壽命5年的信號(hào)中繼星而言,它能夠輕易穩(wěn)定在這個(gè)軌道數(shù)十年,足夠中國、乃至葉培建院士提出的也可以幫助其他國家類似月球背面任務(wù)使用。
在2018年底,嫦娥四號(hào)抵達(dá)月球背面時(shí),這個(gè)鵲橋“天眼”將會(huì)執(zhí)行任務(wù)的指令發(fā)送、信號(hào)中繼、數(shù)據(jù)下載等功能,成為鏈接地球與月球的“鵲橋”。
標(biāo)簽 嫦娥- 原標(biāo)題:“鵲橋”出征,呼喚嫦娥!中國成功發(fā)射人類首個(gè)月球信號(hào)中繼星 本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)。
- 責(zé)任編輯:孫武
- 最后更新: 2018-05-21 09:41:11
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