“鹊桥”中继卫星是如何给地球和嫦娥四号牵线的?

subtitle 了不起的中国制造07-12 06:46 跟贴 1265 条
“鹊桥”装备了光纤陀螺惯性测量单元,并具有史上最大的伞状天线,此外,它采用了多安全备份遥测遥控指令设计,这相当于为“鹊桥”备了好多部“手机”,地面工作人员可同时给这几部“手机”打电话。

出品| 网易新闻

作者| 东方宇文,航天学者

2018年,中国航天掀起了前所未有的发射高潮,仅上半年就已完成了18次航天发射,全年更是有望完成超过40次的航天发射。其中包括发射10多颗北斗三号导航卫星、张衡一号电磁监测试验卫星等影响广泛的先进人造地球卫星。但是,最引人瞩目的还是一个多月前发射的“鹊桥”月球中继卫星和计划年底升空的嫦娥四号落月探测器,因为它们在世界航天史上都是第一次,预示着我们即将在月球的背面展开探索的新天地。

(一)嫦娥四号为何要去月球背面?

1、“背面没去过!”

中国探月工程又叫“嫦娥工程”,分绕月探测、落月探测和采样返回探测,即“绕、落、回”三个发展阶段实施。原定计划是:嫦娥一号绕月探测器用于完成绕月探测,嫦娥二号是嫦娥一号的备份;嫦娥三号落月探测器用于完成落月探测,嫦娥四号是嫦娥三号的备份;嫦娥五号采样返回探测器用于完成采样返回探测,嫦娥六号是嫦娥五号的备份。

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(嫦娥一号所拍摄的月面三维立体图)

(嫦娥二号在国际上首次实现对图塔蒂斯小行星近距离探测)

但在工程实施的过程中,由于嫦娥一号绕月探测器圆满完成了预定任务,所以作为其备份的嫦娥二号改为用作探月第二阶段的技术先导星;此后,嫦娥三号落月探测器也出色完成了预定任务。这时候问题就来了,作为备份的嫦娥四号要做什么呢?

(嫦娥三号着陆器拍摄的玉兔号月球车)

很多人主张嫦娥四号还是落到月球正面,这样比较牢靠,技术风险小,免得节外生枝。但嫦娥一号总指挥兼总设计师、嫦娥系列月球探测器总指挥兼总设计师顾问叶培健院士则主张落到月球背面。他认为,落到月球背面,如果成功了是一大亮点;如果不成功,因为这是人类第一次,也可以原谅。单从逻辑学上看,落到月球背面的科学意义就是一句话:背面没去过!叶培健院士用形象的比喻来说:嫦娥三号相当于在华北平原着陆,嫦娥四号则相当于在崇山峻岭的云贵川地区着陆。

经过近两年的论证,嫦娥四号最终将奔向月球背面,开启探月全新旅程!

2、对研究地球的早期历史有重要价值

计划年底发射的嫦娥四号将登陆月球背面南极附近的艾特肯盆地,将世界首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。艾特肯盆地是太阳系最大的环形山,也是个古老的区域,直径2500千米,最深处为9000米,可能含有许多月球初始的信息,保存了太阳系形成之初的宝贵信息,极具探索价值!

(艾特肯盆地)

且月球背面具有不同于月球正面的地质构造,多“山”多“谷”,对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。因为地球上经历了多次沧海桑田,早期地质历史的痕迹早已消失殆尽。因此,对月球背面开展形貌、物质组成、月壤和月表浅层结构的就位与巡视综合探测,不仅可促进对月球早期演化历史的新认知,对研究地球的早期历史也有重要价值。

(月球背面有更多的陨石坑)

3、背面是监听宇宙深处微弱电磁信号的净土

接收遥远天体发出的射电辐射是研究天体的重要手段,称为射电观测。由于这些天体的距离遥远,电磁信号十分微弱,在地球上,日常生产生活的电磁环境会对射电天文观测产生了显著干扰,因此天文学家一直希望找到一片完全宁静的地区,监听来自宇宙深处的微弱电磁信号。

由于被地球潮汐锁定(潮汐锁定发生在重力梯度使天体永远以同一面对着另一个天体;例如,月球永远以同一面朝向着地球)、月球的自转与公转周期相同等原因,在地球上永远看不到月球的背面。月球背面可屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号,因而在那里能监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号,研究恒星起源和星云演化,有望取得重大天文学成果。

(被潮汐锁定的月球)

(二)月球背面如何与地球取得联系?

地球与月球背面中间永远隔着一个月球,那落在月球背面的嫦娥四号又如何与地球取得联系呢?这就需要中继卫星,也就是我们已经先行“铺路”的“鹊桥”。

说起中继卫星,大家最熟知可能是2017年结束了20年使命的“卡西尼”号土星探测器。当时陪伴“卡西尼”号一路风雨同舟前往土星的还有“惠更斯”号,惠更斯”号并没有直接和地球通信的能力,因此“惠更斯”号的所有数据都通过“卡西尼”号中继。简单说,就是“卡西尼”号接收来自“惠更斯”号的信号,而后“卡西尼”号调转天线,向地球发送“惠更斯”号的信息。

同理,“鹊桥”的名字就不用多做解释了吧。

(“卡西尼”号为“惠更斯”号提供信号中继)

那么问题又来了,“鹊桥”究竟是如何“铺路”的?

在这个问题之前,我们要先知道一个概念:拉格朗日点。在天体力学中,拉格朗日点是限制性三体问题的5个特解。大致示意图是这样的:

(5个拉格朗日点的示意图,这5个点在运动中可以保持与两个天体的相对位置不变)

两个天体环绕运行,在空间中有5个位置可以放入第三个物体(质量忽略不计),并使其保持在两个天体的相应位置上。理想状态下,两个同轨道物体以相同的周期旋转,两个天体的万有引力提供在拉格朗日点需要的向心力,使得第三个物体与前两个物体相对静止。也就是说,从地球(地面站)和月球(嫦娥四号)的角度来说,在这五个点上的卫星看起来是静止不动的。

而相比地球中继卫星,“鹊桥”号中继卫星则站的更高,且要探测月球背面,所以选择的是地月拉格朗日点L2。但是如果“鹊桥”在L2点上,隔着月球,仍然无法与地球取得联系,所以“鹊桥”选择在地月L2点晕轨道运行。在这个轨道上运行的“鹊桥”可以和地月保持相对稳定静止状态,因而能节省卫星燃料,延长寿命。“鹊桥”一年只需消耗2千克燃料,并且比运行在其他轨道都要省许多测控方面的事。

在地月L2点晕轨道的月球中继卫星与地球、月球的相对位置关系(图片来源吴伟仁等(2017)改编)

从地球到达L2点常用两种方案:一是直接转移,从地球直接经过地月转移轨道飞到L2点附近;二是月球绕掠,飞经月球是借助月球引力“拐个弯”再飞到L2点,这样省燃料,但耗费时间长。对无人探测任务来说,路上多走一两天时间根本不是事儿,但是节省燃料就重要多了,所以“鹊桥”采用第2种方案。

鹊桥(白色)和嫦娥4号(绿色)的发射和飞行路径。来源:CASC

它分三步走,耗时24天,而一般的月球飞行器一般用时4-5天。

第一步:5月21日,“鹊桥”升空,从地球飞到月球轨道(4天);

第二步:“鹊桥”从月球轨道飞到地月L2点附近(4天);

第三步:从地月L2点附近飞到地月L2晕轨道,6月14日进入使命轨道(16天)。

至此,“鹊桥”已成为世界第一颗运行在地月L2点晕轨道的月球中继卫星。

(“鹊桥”之旅)

(三)“鹊桥”有何与众不同之处?

1、“鹊桥”装备了具有高智能化水平、全天候、全天时、全空域运行能力的光纤陀螺惯性测量单元,从而摆脱了之前航天器姿态敏感器需要借助地球、太阳等天体来定位的束缚,大大提升其轨道控制能力。

在“鹊桥”1000米/秒高速在轨飞行过程中,其速度控制精度误差不大于0.02米/秒,这种超强的自主控制能力,让地面实施轨道控制周期为7天左右一次,为长期稳定运行奠定了基础。

(“鹊桥”月球中继卫星)

2、 “鹊桥”采用了多安全备份遥测遥控指令设计,即为“鹊桥”备好多部“手

机”。地面工作人员可同时给这几部“手机”打电话,发出相同的遥测指令,可有效规避“因距离远或其他未知因素”造成的信号中断、信息传送不准确等问题。

3、它还采用了S频段数字化深空应答机。它是中国首台数字化深空应答机,具有对错误数据自我修正的功能,其灵敏度、信号捕获能力等性能更为强大。

4、装备史上最大伞状天线。由于嫦娥四号落月探测器体积较小,所以配备的天线也不大,通信信号较弱。为此,“鹊桥”的通信分系统装有大型伞状高增益天线和螺旋状中增益天线,设置了多种不同码速率。它们具备自适应数字调节能力,从而能克服嫦娥四号信号微弱、不稳定等带来的信号捕捉困难。

“鹊桥”的最大特征就是采用4.2米口径的高增益伞状抛物面天线(星载天线金属网),这是人类深空探测任务史上最大口径的通信天线。该天线采用整星零动量控制方式,可以实现对地、对月、对日和对惯性空间任意目标指向与跟踪的三轴稳定控制,为着陆器、巡视器与地面站之间的测控与数据传输提供了有力支撑。

它在地、月、星之间建立了三条链路——对月前向链路、对月反向链路以及对地数传链路,这三条链路可以实现“鹊桥”与后续发射的嫦娥四号探测器的双向通信,以及“鹊桥”与地面的通信。

(“鹊桥”的通信链路)

5、“鹊桥”上还装载了荷兰的低频射电探测仪。它能与位于地球上荷兰境内的低频天文阵列等地面天文观测设施联合,首次开展43万~46万千米基线的地月空间甚长基线干涉测量实验(甚长基线干涉测量是把几个小望远镜联合起来,达到一架大望远镜的观测效果)。它还将与嫦娥四号着陆器上中方研制的低频射电频谱仪之间形成干涉测量,有望对来自宇宙黑暗时代和黎明时期的21厘米氢谱线辐射进行探测,研究在宇宙大爆炸后的几千万年到一两亿年间,宇宙如何摆脱黑暗,点亮了第一颗恒星。

(荷兰低频射电探测仪天线)

6、“鹊桥”携带了一个1.6千克、170毫米大孔径激光角反射镜,由中山大学研制。它能配合地面0.5米激光发射望远镜和1米激光接收望远镜,进行精度优于15毫米的单程测距。这是人类历史上最远距离的纯反射式激光测距试验,达46万千米,可使人类激光测距的纪录再增加约8万千米,并承担“天琴计划”的先导性研究工作。其原理是将高度同向性脉冲激光束射向放置在卫星表面的角反射镜,通过发送、接收时间差计算出星地距离。目前掌握这项技术的国家不多,因为在40万千米左右以外找到并瞄准小小的激光反射镜,难如大海捞针。

(激光角反射镜工作原理图)

结语

“鹊桥”升空,迈出了中国月球背面着陆与探测的第一步。接下来就要看嫦娥四号了。嫦娥四号有三大任务:对月球背面的环境进行研究;对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究;用低频射电探测仪探测宇宙天体。

而据说,嫦娥四号要实现这三项任务,需突破四项关键技术:一是复杂地形环境条件下的安全着陆;二是地月L2点晕轨道设计与控制;三是地月L2点远距离中继通信;四是同位素温差发电与热电综合利用。

而今,“鹊桥”已经准备就位,“坐等”嫦娥四号。

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编辑| 于冉帝

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