來(lái)源：中國(guó)空間技術(shù)研究院微信公眾號(hào)

5月21日，嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。作為嫦娥四號(hào)探月工程的關(guān)鍵一環(huán)，“鵲橋”的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)成功邁出了月球背面登陸工程中的第一步。截至目前，中國(guó)空間技術(shù)研究院已研制發(fā)射236顆航天器。

　　由于月球的公轉(zhuǎn)速度與自轉(zhuǎn)速度相等，月球背面無(wú)法看見(jiàn)地球，因此嫦娥四號(hào)任務(wù)需要首先發(fā)射一顆中繼星，解決與月球背面的通信問(wèn)題，這也將是世界首顆連通地月的中繼衛(wèi)星，為著巡組合體安全抵達(dá)月球背面構(gòu)筑信息通路。嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”由中國(guó)空間技術(shù)研究院下屬航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制。

　　第一顆地球軌道外專(zhuān)用中繼通信衛(wèi)星

隨著深空探測(cè)的發(fā)展，以及對(duì)月球和月球之外的天體和空間的探測(cè)，人類(lèi)將航天活動(dòng)的范圍擴(kuò)展到月球、火星等天體處，隨之面臨著測(cè)控通信遠(yuǎn)距離損失劇增、低覆蓋率、延時(shí)較大等許多技術(shù)難點(diǎn)。為了克服地基測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的不足，同時(shí)為了適應(yīng)未來(lái)航天技術(shù)的發(fā)展，需要尋找新的航天測(cè)控系統(tǒng)體制和更優(yōu)的傳輸方式，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用中繼衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

對(duì)月中繼通信是利用中繼衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)站，對(duì)環(huán)月、落月飛行器的信號(hào)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信方式，其一般是利用與地球長(zhǎng)期可見(jiàn)的中繼衛(wèi)星在環(huán)月或落月飛行器和地面站之間建立一條全天候、實(shí)時(shí)的高速通信鏈路，可為衛(wèi)星、飛船等飛行器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳至地面，極大提高此類(lèi)衛(wèi)星使用效益。

“鵲橋”是我國(guó)首顆，也是世界首顆地球軌道外專(zhuān)用中繼通信衛(wèi)星。作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，它能夠?qū)崟r(shí)的把在月面背面著陸的嫦娥四號(hào)探測(cè)器發(fā)出的科學(xué)數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳回地球，具有重大的科學(xué)與工程意義，也是人類(lèi)探索宇宙的又一有力嘗試。

　　第一顆在地月L2平動(dòng)點(diǎn)上

　　采用Halo軌道的衛(wèi)星

自從牛頓提出萬(wàn)有引力定律以來(lái)，人們將其運(yùn)用于計(jì)算太陽(yáng)系中天體的位置。但是萬(wàn)有引力定律描述的都是兩個(gè)天體之間的關(guān)系，在只有兩個(gè)天體的情況下，用牛頓理論可以很容易地得到天體的運(yùn)行軌道，但是三個(gè)天體之間的作用力關(guān)系非常復(fù)雜以至于難以求解，稱(chēng)為三體問(wèn)題。瑞士科學(xué)家歐拉和法國(guó)科學(xué)家拉格朗日針對(duì)三體問(wèn)題，求解出了五個(gè)特殊解，即L1-L5點(diǎn)，也稱(chēng)為拉格朗日點(diǎn)。由于其特殊的空間位置和動(dòng)力學(xué)特性，拉格朗日點(diǎn)成為開(kāi)展空間探測(cè)的最佳位置。很多科學(xué)衛(wèi)星都運(yùn)行在拉格朗日點(diǎn)附近的軌道上。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面著陸器和巡視器的中繼任務(wù)，“鵲橋”的使命軌道為月球背面一側(cè)的地月L2平動(dòng)點(diǎn)Halo軌道，這也是人類(lèi)航天器首次涉足該軌道。根據(jù)設(shè)計(jì)，“鵲橋”衛(wèi)星將在L2點(diǎn)做擬周期運(yùn)動(dòng)，通過(guò)定期軌控保持軌道的穩(wěn)定性。地月L2平動(dòng)點(diǎn)位于地月連線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上，距月球距離約6.5萬(wàn)公里。由于地月距離是變化的，L2點(diǎn)距離月球的距離也是變化的，通過(guò)對(duì)使命軌道的設(shè)計(jì)，“鵲橋”與月球的距離不大于8萬(wàn)公里，可實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

　　人類(lèi)深空探測(cè)任務(wù)史上最大口徑通信天線(xiàn)

深空探測(cè)任務(wù)中難度最大的就是如何確保遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠建立，這也是世界各國(guó)都在致力解決的深空探測(cè)關(guān)鍵核心技術(shù)。

中繼星“鵲橋”上架設(shè)了一副展開(kāi)后口徑達(dá)近5米的傘狀天線(xiàn)，這是人類(lèi)深空探測(cè)器歷史上攜帶的最大口徑通信天線(xiàn)，它為“鵲橋”和地球之間鋪設(shè)了一架宏偉的高速橋梁，讓遙遠(yuǎn)的星地距離變?yōu)榇蟮劳ㄍ�，每時(shí)每刻將寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)從廣邈的外太空實(shí)時(shí)送達(dá)地球。

為了實(shí)現(xiàn)和保障“鵲橋”中繼功能的順利實(shí)現(xiàn)，研制人員給它配備了多副天線(xiàn)。其中，大口徑傘狀天線(xiàn)是最關(guān)鍵的一副，它直接指向月球，將與今年要發(fā)射的嫦娥四號(hào)探測(cè)器對(duì)接，不僅要將地面的測(cè)控指令說(shuō)給探測(cè)器聽(tīng)，還要聽(tīng)清楚探測(cè)器給中繼星說(shuō)了些啥。傘天線(xiàn)，顧名思義，像一把傘一樣，在中繼星與火箭分離一段時(shí)間后，這把“傘”就打開(kāi)了，這把“傘”在太空中需要經(jīng)歷嚴(yán)酷的考驗(yàn)。嫦娥四號(hào)中繼星在浩瀚的太空中還會(huì)經(jīng)歷一段沒(méi)有光照的陰影區(qū)，陰影區(qū)的溫度是-200℃左右，最冷的地方將達(dá)到-230℃，在如此嚴(yán)寒下，傘天線(xiàn)全身都“凍僵了”。為了讓它從“凍僵”的狀態(tài)中恢復(fù)過(guò)來(lái)，研究院的設(shè)計(jì)師們做了包括力學(xué)、熱學(xué)等不計(jì)其數(shù)的試驗(yàn)，有效保障了傘天線(xiàn)能夠克服嚴(yán)酷環(huán)境。

　　編輯：胡瀟瀟

　　責(zé)編：邵素芝

　　素材：航天東方紅衛(wèi)星有限公司

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