地球月球间的鹊桥:嫦娥四号中继卫星发射

地球月球间的鹊桥:嫦娥四号中继卫星发射
2018年05月21日 06:50 科学大家

  出品 | 新浪科技《科学大家》

  撰文 | 郑永春,行星科学家、科普作家、科普中国形象大使

 图片来源:中国航天科技集团 图片来源:中国航天科技集团
嫦娥四号中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭升空瞬间(赵聪 摄) 图片来源:中国航天科技集团嫦娥四号中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭升空瞬间(赵聪 摄) 图片来源:中国航天科技集团

  5月21日5点28分,在我国西昌卫星发射中心,由中国航天科技集团有限公司抓总研制的嫦娥四号中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭升空。卫星由火箭送入近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道。

  五二零,我爱你。

  在5月20日的夜晚(实际发射时间为5月21日凌晨),中国在西昌卫星发射中心发射鹊桥号卫星。这颗卫星,是为将在月球背面工作的嫦娥4号和地球之间提供通信链接的中继卫星。而这颗名为鹊桥号的中继卫星,在五二零的夜晚发射,真是有缘。

鹊桥相会鹊桥相会

  为什么需要搭建鹊桥呢?

  抬头看月亮,我们看到的月亮亘古未变。那影影绰绰的“桂花树”、“广寒宫“、“玉兔”,其实都是在月球的正面。而月球背面,一直对人类保持着神秘。原因就在于月球被地球的引力锁定了。这里打个比方,就像爸爸的双手拉着孩子的双手,爸爸在原地打转,孩子环绕着爸爸打转,从爸爸的角度(也就是地球人的角度),他看不到孩子的背上,或许已经在被蚊子叮咬了。

月球被地球的引力锁定了月球被地球的引力锁定了

  既然地球上无法直接看到月球背面,也就无法和月球背面直接通信。2018年年底,嫦娥四号探测器将在月球背面着陆,这时候,我们就需要一位“话务员”,把嫦娥四号探测到的信息,通过“话务员”传递到地球上。鹊桥号的主要使命,就是在月球背面和地球之间“传话”,也就是提供中继通信。

  说到嫦娥4号,这可是全世界第一个要在月球背面着陆的探测器,是全人类有史以来第一次。想到这个,我就情不自禁地哆嗦。嫦娥4号将要着陆的地方,位于月球南极的艾特肯盆地,那里是整个太阳系中最大最深的盆地,很可能是月球刚刚形成不久之后被小天体撞击形成的。嫦娥4号将在那里开展着陆和巡视探测,揭开艾特肯盆地和月球背面的秘密。

  嫦娥4号虽然是嫦娥3号的备份,但它们的使命不同,同样可以大放异彩。

  鹊桥号既要能够完全独立自主运行,也要做到“月亮走,我也走”。鹊桥号既要跟着月亮一起绕着地球转,同时还要跟着地球一起绕着太阳转,这样才不至于被地球和月球甩掉,远远地落在后面,没法完成“话务员”的任务。科学家经过缜密计算,终于确定了这个地点,它就位于地球和月球连线的延长线上,距离月球大约有6到8万公里。这个点叫做地月拉格朗日2点——也就是地球和月球的引力平衡点。放在这个位置的航天器,被地球和月球的引力牢牢束缚,不由自主地跟着地球和月球一起走。从而可以节省用于轨道维持的燃料,延长卫星的运行寿命。

  鹊桥号并不是老老实实地待在拉格朗日2点,而是环绕这个点打转,转一圈的周期大约为14天。从鹊桥号那里看去,既能看到地球,也能看到月球的背面,从而可以为嫦娥4号提供全时段的中继通信服务。而且,那里很少被地球或月球遮挡,能接收到太阳光照,卫星的能源供应得以保障。

鹊桥号将运行在右上角的椭圆轨道上鹊桥号将运行在右上角的椭圆轨道上

  鹊桥号就像一位话务员,一方面,嫦娥4号的着陆器会给它发射信号,而它要把这些信号分别传递给月球车和着陆器。月球车和着陆器也会发射信号和探测数据给它,它要把这些信号和探测数据,传递给地球上的地面站。鹊桥号既要能看到月球的背面,也要能看到地球。因此,鹊桥号这位话务员工作量不小。什么叫忙得团团转,说的就是它了。

  鹊桥号中继星的重量不大,约为425千克,但工作寿命较长,要求能够连续工作五年以上。跟嫦娥一号和嫦娥二号卫星明显不同的地方,就是这颗卫星上有一个大口径的抛物面天线,就像一把大伞,接收来自月球背面的信号和地球上的信号。这把大伞在发射之前是收拢的,进入太空之后才会打开。所以,鹊桥号发射成功的标志之一,是这把大伞能否顺利打开,以及能否顺利进入环绕拉格朗日2点的轨道。

鹊桥号鹊桥号

  鹊桥号中继星发射之后,并没有像嫦娥一号卫星那样先绕地球飞行,然后一步三回首地进入奔月轨道,而是一经发射就直奔月亮而去,进入近地点轨道高度为200公里,远地点轨道高度约为40万公里的奔月轨道。途中进行轨道调整,最终经过十天左右的时间,进入任务轨道,在那里原地待命,等待嫦娥四号的发射。

鹊桥号的飞行轨道鹊桥号的飞行轨道

  中继星除了提供“话务员”的传话功能之外,还搭载了重约1.6 公斤、孔径17厘米的中空角锥反射镜,配合地面上0.5 米口径的激光发射望远镜、以及1 米口径的激光接收望远镜,在月球和中继星之间进行激光测距实验。

  这次发射鹊桥号中继星的,是长征4号丙火箭。由于中继星的个头不大,火箭的运输能力还有剩余,因此为微小卫星提供了搭载机会。此次与鹊桥号同时发射的,还有哈尔滨工业大学研制的两颗微小卫星,分别叫做龙江一号和龙江2号。从这个名称也可以看出,这是哈尔滨工业大学这所航天传统强校献给所在地黑龙江的礼物。这两颗卫星在发射之后,与鹊桥号分离,环绕月球飞行。并在飞行过程中逐渐逼近,一前一后编队飞行,相互之间的距离仅为1到10公里。同时,微小卫星上还搭载了沙特研制的微型光学相机、中山大学研制的激光角反射镜、中国跟荷兰联合研制的低频射电探测仪,简直就是一个国内外小卫星界的大联欢。

  火箭发射威力巨大,安全注意事项必不可少。这次发射的长征四号丙火箭,一级火箭采用的燃料为四氧化二氮+偏二甲肼。一级火箭的残骸长约23米,重约15吨,其中就会含有多余的燃料。请注意,这种火箭燃料有毒,火箭残骸不是宝贝,并没有回收价值,不要去碰它,及时报案就好。

  火箭残骸坠地的速度约为每秒100米,并会在坠落过程中解体成一些碎片,这些碎片预计落在贵州铜仁市的部分乡镇,整流罩将落在福建省宁化县部分乡镇,二级火箭的残骸将落在宫古岛附近海域。这些地方的居民和船只请提前撤离。

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