地月通信架“鵲橋”

文/趙聰 攝 / 李明

▲ 衛星吊塔對接

緣起

“鵲橋”升空了。

5月21日5時28分，西昌衛星發射中心，人類首個以月球背面為目標的探測任務——嫦娥四號探月工程，就在此刻邁出了第一步。

人類對月球渴望已久。千百年來，這個人們熟悉又陌生的、“陰晴圓缺”的球體帶給人們無盡想象，甚至寄托著人們的“悲歡離合”。人們嘗試通過肉眼或者機械鏡頭接近它，雖然美國已經成功踏上了它的領地，但“月之暗面”的謎題從未有人揭曉。

由于月球自轉和公轉周期一致，它只能永遠以同一面朝向地球。

雖然難以看到，月球背面的科學探測意義卻很重大。中科院國家天文臺研究員鄭永春介紹，那里避開了來自地球的大量電磁干擾，處于一種電磁波“寧靜區”，在這樣的潔凈環境中，探測器可以接收到更多微弱信號，例如宇宙形成早期發出的短波。

另外，人類通過多次環月探測發現，月球背面分布著大大小小的天體撞擊坑，這片神秘區域到底經歷過怎樣的天體活動？科學家分析，這些撞擊坑有的在幾十萬年前生成，能否通過它們找到宇宙起源的蛛絲馬跡？

中國開始將深空探測目標鎖定在月球背面。2015年11月30日，探月工程重大專項領導小組批準嫦娥四號任務組織實施，這標志著月球背面登陸探測正式開始。

第一個難題迎面而來：月球始終以同一面朝向地球，這就意味著，若探測器在月球背面登陸，它與地球不僅相隔遙遠的地月距離，還要受龐大月球球體的阻隔，如何與地球保持通信聯絡？

“搭橋”是較為完美的解決方案。發射一顆中繼衛星，將其當做中轉站，用來接受和轉發地球和月球上發出的信號，相當于給地球和月球搭起一座通信橋梁?！捌鋵嵕秃帽劝训孛嬲景岬教焐稀！辨隙鹚奶栔欣^星總指揮兼總師張立華做了個類比。

通過發射中繼衛星為航天器和地球搭建天地通信鏈路，是一種較為常見的做法。中國的中繼衛星技術已經相當成熟，10年前，第一顆中繼衛星上天，10年間，相繼發射的4顆“天鏈一號”衛星組網運行，成功實現對中、低軌航天器全球100%覆蓋。

但與“天鏈一號”相比，嫦娥四號中繼衛星有點不一樣。首先，最大的不同是“天鏈一號”對數據采取透明轉發方式，即不對數據做處理，保持“原汁原味”；嫦娥四號中繼星則屬于“再生轉發”，即先對數據進行“解碼”“去格式”“復接”“編碼”等處理，再發送。

▲ 嫦娥四號“鵲橋”之旅 制圖 丁潔

其次，“天鏈一號”具有廣泛的通用性，嫦娥四號中繼衛星則更像是為執行月球背面探測任務而專屬定制?！版隙鹚奶柺擎隙鹑柕膫浞菪l星，主要設備已經生產出來，所以需要專門研制一顆中繼星，去跟它的接口進行匹配。”張立華解釋。

中繼衛星的抓總研制任務被交到了中國航天科技集團有限公司五院所屬航天東方紅衛星有限公司手中。2018年4月24日，第三個“中國航天日”期間，中繼衛星被正式命名為“鵲橋”。

“鵲橋”不大，整個重量才約448千克，衛星本體橫向尺寸1.4米×1.4米，高度才850毫米，加上天線是3米多。

就像一個中型保險柜，存放著人類首次探索月球背部的夢想。

Hello，月球

“鵲橋”向月球奔去。

5時54分，中繼衛星與火箭分離，護送者完成使命離去，它要靠著自己的本事，走完剩余的奔月之路。

在嫦娥四號中繼星任務說明上是這樣描述飛行計劃的：星箭分離后，經過約4～5天的飛行，其間經過2～3次中途修正，“鵲橋”將到達距離月面高度約100公里的近月點。經過近月制動后，在約21天時間內，“鵲橋”將進行2次中途修正和3次捕獲控制，最終進入繞地月L2點的Halo軌道。

為何最終到達這里？

首先要明白何為“地月L2點”。地月拉格朗日2點簡稱地月L2點，距離地球40多萬公里，是5個地月拉格朗日點之一。根據天體物理學中的限制性三體問題，地球和月球兩大天體在太空中運動，其萬有引力與離心力在這5個點處得以平衡。倘若這5個點處存在第三個天體，且這個天體的質量相對于地球和月球無限小——譬如中繼星，那么它就可以和地月保持相對靜止狀態。

顯然，中繼星正是看中了地月朗格朗日點的穩定性?！爸欣^星架在這些點處，受地月引力作用可以保持相對穩定狀態，從而節省衛星燃料?！辨隙鹚奶栔欣^星主任設計師孫驥說。

▲ 對衛星的太陽翼進行光照試驗

既然5個點都可以保持穩定，為何偏偏選擇了L2點？

這是因為地月L2點位于地球、月球兩個大天體的連線上，且在較小的天體即月球一側，即正好面向月球背面?！版隙鹚奶栆谠虑虮趁婵拷蠘O的艾特肯盆地執行任務，想要對此處和地球同時可見，只能選擇L2點?！睂O驥解釋。

中繼星選擇了地月L2點，但并不是在此處保持靜止狀態，而是圍繞該點做擬周期運動，其運動軌道是Halo軌道。

孫驥進一步解釋，L2點位于地月連線上的月背一側，若衛星在此處，受月球遮擋根本不可能“看見”地球，所以設計師為其設計了Z向振幅約1.3萬公里繞地月L2點的Halo軌道。“鵲橋”架設在這一軌道上，既能“看見”地球，又能“看見”月球，既可以同時與地球和月球背面進行信息和數據交換，又因為受地月引力作用而保持相對穩定狀態，從而節省了衛星燃料。

繞地月L2點的Halo軌道，無疑是嫦娥四號中繼星的理想處所。

軌道雖然很理想，但“鵲橋”選擇這里卻不是貿然行動，而是站在“前人肩膀上”的理性選擇。

早在2011年，我國嫦娥二號完成探月任務后，離開月球軌道飛向日地L2點，這是人類首次實現從月球軌道出發到日地L2點，也是中國首次實地探訪拉格朗日點。

▲ 衛星天線的“靚照”

3年之后，中國再次向另一個L2點——地月L2點進發。2014年，探月工程三期月地高速再入返回飛行器完成返回任務后，留軌的服務艙前往地月L2點進行探測，這是我國飛行器首次飛抵這里并完成科研任務，也是世界上第二個到達地月L2軌道的航天器。此前，僅有美國的Artemis任務短暫造訪過這片神奇的空域。

有了前人“栽樹”，“鵲橋”的運行軌道才最終被確定為繞地月L2點的Halo軌道。

Halo軌道的概念由美國人Farquhar在1967年提出，根據Farquhar的構想，如果在這一軌道上放置一顆中繼通信衛星，可以為月球背面著陸的探測器提供通信中繼服務?；谶@一構想，美國宇航局曾計劃在阿波羅17號任務中進行實施，但最終由于風險較大、技術復雜等原因而放棄。

▲ 工作人員在給衛星做測試

如今，“鵲橋”勇敢地選擇了這個軌道。若進展順利，“鵲橋”將是世界上第一顆成功在地月L2點上采用Halo軌道的衛星，意味著我國率先掌握了地月中繼通信技術。

架橋

6時20分，傘狀天線緩緩展開。這個展開后口徑達4.2米的大型天線，將首次為人類傳送來自月球背面的信號。它有一個頭銜：人類深空探測任務史上最大口徑的通信天線。

“鵲橋”能否被架設成“高速路橋”，關鍵靠它。

通常在深空探測任務中，建立遠距離數據通信的可靠鏈路最為困難，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關鍵核心技術，而要確保通信鏈路的可靠性，天線是關鍵。

“這顆衛星離地球和月球都比較遠，要滿足通信要求，天線口徑得盡可能做大?！睆埩⑷A說。

此外，天線與其他中繼鏈路設備不同。后者可以做一些冗余，但天線只有一個，是整星的單點環節，一旦出問題，對整個任務而言是災難性的。

惡劣的太空環境對天線帶來嚴峻考驗。在軌運行期間，“鵲橋”會經過一段沒有光照的陰影區，最長可達4個多小時，陰影區溫度平均-200℃左右，在陰影區，天線最冷的部件溫度將達到-230℃，為了順利通過如此嚴寒的考驗，五院的設計師們做了大量試驗驗證，有效保障了傘狀天線能夠克服嚴酷環境，可靠工作。

“架橋”要趁早。

按照計劃，嫦娥四號任務分兩步進行：先發射中繼星，再發射著陸器和巡視器組合體?！谤o橋”提前半年出發，要做好前期“功課”：盡快完成在軌測試，調整進入備戰狀態，以便迎接年底嫦娥四號著陸器和巡視器的到來。

除了搭建通信橋梁，“鵲橋”還嘗試為空間科學試驗“牽線”。

激光測距試驗是其一。目前，人類歷史上最遠距離的激光測距試驗是依據1969年阿波羅11號在月球上放置的一套激光測距反射鏡陣列進行。如今，在距離地球約40多萬公里的地月L2點附近，“鵲橋”將嘗試把遠距離激光測距的記錄再度延伸。

“鵲橋”上還搭載了浙江大學研制的兩臺相機，用來拍攝天線展開的過程，若幸運，人們還會看到其拍攝的地月彩色合影。中繼星還搭載了中荷（荷蘭）合作研制的低頻射電探測儀。

世界范圍內，人類探索月球的活動大致可分為“探”“登”“駐(住)”三個階段。根據中國探月工程總體規劃，2020年前，中國月球探測工程以無人探測為主，屬人類探月三階段中的“探”。

瞄向“月之暗面”的“鵲橋”是人類探索月球邁出的堅實一步，也是創新性一步。

如今，“鵲橋”即將架設，不久，月球背面將第一次聽到來自地球“鄰居”的扣門聲。