两分钟看懂“鹊桥”：中国人让月球背面第一次有信号了
创业家2018-05-21 15:14
这是人类首次尝试着陆月球背面。从此一桥飞架南北，天堑变通途。
镁客注：
鹊桥、嫦娥、玉兔......中国航天器的名字都美的不像话！
在中国民间故事中，“鹊桥”是连接牛郎和织女的桥梁。而今早发射的中继卫星“鹊桥”，则将作为嫦娥4号通讯器的“探测官”，在地面和月球背面之间架起通信的桥梁，迈出了人类首次登录月球的第一步。
本文开头是视频，可以很快的让你在两分钟内了解“鹊桥”。正文的内容，则从为什么要发射“鹊桥”出发，以专业的角度详细的介绍了“鹊桥”的外形、即将被送入的轨道，以及携带的科学仪器和将要执行的主要任务等。
本文转自永结无情游相期邈云汉；作者：haibaraemily；作者公众号：永结无情游相期邈云汉（ID：haibaraemily_planets）。
视频：2分钟搞懂为什么要发射中继星。来源：漫步宇宙
正文：
“嫦娥”未动，“鹊桥”先行。
我国的第四个探月任务，嫦娥4号的中继卫星鹊桥于今天（2018年5月21日）凌晨在西昌卫星发射基地，由长征4号丙（CZ-4C）运载火箭发射升空。
在今年4月24日的“中国航天日”主场活动开幕式上，这颗中继卫星被赋予了一个恰如其分的名字——“鹊桥”。
中继卫星是做什么的？
我国的嫦娥4号计划着陆于月球背面南极艾肯盆地内的冯·卡门陨石坑（中心位置44.8°S，175.9°E）中，并释放月球车进行探测。
图 | 月球背面的冯·卡门撞击坑。来源：参考文献[1]
这是人类首次尝试着陆月球背面。
但由于月球的自转和公转周期相同（这是月球被地球的引力逐渐锁定的自然结果，太阳系中众多大卫星都处于这样的状态，甚至系外行星中都有很多都已被母恒星锁定），地球上的人类始终只能看到月球的正面，地面基站自然也只能收到来自月球正面的信号。
图 | 已被潮汐锁定的月球。制图：haibaraemily
不过，这对很多月球观测都是没什么影响的——因为轨道器是会一圈一圈绕着月球飞的嘛，飞到背面时测到的数据，飞到正面时再传回来就好了，只是有点延时而已，不是事儿。
事实上，人类在月球探测非常早的时期就已经拍摄到月球背面的照片了——1957年，人类第一颗人造卫星斯普尼克1号进入太空；1958年，人类开始月球探测；1959年10月7日，苏联的月球3号就已经传回了第一张月球背面的影像。
（左）为纪念苏联拍到月球背面的第一张影像发行的邮票；（右）为当时传回的第一张月球背面影像，左边的暗色区域分别为危海、史密斯海、界海，下方为南海，右上为莫斯科海。来源：维基。
但有些需要实时保持联络的探测项目就出问题了。
比如激光测月就是不行的。 就是在月球上安装激光反射棱镜，通过从地球上打激光去月球并接收反射回来的激光，就可以精确测量地球和月球的距离和距离的变化，并用来推测与之相关的各种地球物理参数——这东西装在月球背面显然是不行的。
（左）人类迄今为止安装在月球上的所有激光反射棱镜，目前只有美国的阿波罗11、14、15和苏联的月球21号安装的共4个棱镜还在工作中；（右）阿波罗14号在月球表面安装的激光反射棱镜。来源：NASA
重力测量也是不行的。 行星的重力场测量通常采用无线电信号的多普勒频移来计算，这就需要时刻保持多普勒信号的跟踪，不能中断。所以一旦探测器飞到了月球背面，就测不成重力了……怎么办？凉拌。没有就是没有。事实上，直到1998年的月球探勘者号探测器，也就是人类开始探索月球的40年后， 都没有办法直接测量月球背面的重力场信息。
这个问题直到2007年日本的月神1号探测器采用了一颗中继卫星（Rstar）才得以解决。再到2011年NASA的GRAIL重力探测器，直接发射了两颗卫星一前一后编队飞行，彼此之间再也不用担心“失联”，一举把月球全球重力场测量提高了一个量级。
（左）使用中继卫星进行月球背面重力测量的日本月神1号探测器，来源：JAXA；（右）使用双星编队飞行的NASA GRAIL探测器，来源：NASA
在月球背面释放着陆器和月球车更加不行了，别说实时通讯了，啥时候都不能通讯。 所以嫦娥4号的着陆器和月球车要怎么办呢？还是要靠中继卫星。只不过，这时候的中继卫星不是为了跟踪测量，而是为了保持和地球基站的通讯了。看到这里，想必读者一定已经明白，咱们为什么要给嫦娥4号这颗通讯中继卫星取名叫“鹊桥”了吧？
嗯，纤云弄巧，飞星传恨，银汉迢迢暗度。
中继卫星要被送到哪里去？
鹊桥号将被送入一个叫做环地月拉格朗日L2点的轨道。 拉格朗日点又叫做平动点，两个天体周边一共有5个这样的点。
两个天体周边的5个拉格朗日点L1-L5。图中所示的是日地的5个拉格朗日点，地月的5个拉格朗日点以此类推。来源：维基
在这些点上，两个天体的引力综合影响达到平衡，其中L2点就是地月连线上远离地球的那个点。处于拉格朗日点附近的探测器，可以始终保持相对于两个天体几乎静止的位置，这也就意味着，可以保持稳定的通讯。
除此之外，L2点也好处多多，在这附近的探测器，不仅可以获得更好的光照条件，而且维持轨道所需的能量还更小。
其实，在环地月L2轨道上放一颗通讯卫星，来为月球背面的任务提供通讯中继，这个想法早在1972年就已由NASA戈达德空间飞行中心的轨道设计专家Robert Willard Farquhar提出[2]，但直到四十多年后的今天，才将首次由鹊桥号实现。转眼四十年，一种穿越时空的回响。
Robert Willard Farquhar在1972年提出的环L2点轨道设计，L2点与月球之间的距离约为64500千米，而中继星在一个以地月L2点为中心，半径3500千米的轨道上，做周期约14天的圆周运动[2]
中继星鹊桥号长什么样子？
鹊桥使用的是我国空间技术研究院CAST100微小卫星通用平台，加上约100千克的无水肼推进剂燃料总共也就只有四百多千克重。 鹊桥号机身长方体，采用板式结构，可由锂电池和太阳能板供电。顶部安装了一个直径4.2米的伞状抛物面天线作为卫星收发着陆器/月球车信号的高增益天线，也就是说在发射阶段会收拢，入轨后再打开。
鹊桥号的设计图。来源：参考文献[1]
这种方式比较节省发射空间，是中继卫星和微卫星比较常用一种天线设计方式。比如NASA的中继卫星TDRS 7和雷达微卫星RainCube都是类似的天线设计。
NASA的地球中继卫星TDRS 7（左）和雷达微卫星RainCube（右）示意图。来源：NASA
↓RainCube的高清实物图长这样（来源：NASA）
打开的过程嘛，应该跟RainCube这张差不多……
鹊桥号与着陆器/月球车之间的收发信号和数据使用X波段，与地面测站之间的收发信号和数据使用S波段（鹊桥号向地面测站传输数据也可以使用X波段）。着陆器/月球车向中继星的最大上传速率有280/560kb/s，地面测站从中继星的最大下载速率有2000/10000kb/s。同时，着陆器可以接收来自月球车的UHF波段讯息，再把这些讯息以X波段传回给鹊桥号。着陆器/月球车向中继星的上传速率最大有280/560kb/s，地面测站从中继星的下载速率最大有2000/10000kb/s。
中继星（relay satellite）与地面测站（ground satiation）/着陆器（lander）/月球车（rover）之间的通讯链路。来源：参考文献[4]
中继星鹊桥号带了哪些科学仪器？
除了通讯中继这个主任务之外，为了充分利用月球背面的绝佳地理位置，鹊桥号还带了两件宝贝：
一件是与荷兰合作研发的低频射电探测仪（NCLE）。 由于大气层和电离层的干扰，地球上的测站几乎无法进行低频射电天文观测，而月球背面这块风水宝地，可以很大程度上屏蔽这些干扰。鹊桥号携带的NCLE仪器，将在处于月球背面的L2点附近进行射电天文测量、太阳风暴和行星无线电脉冲探测等一系列实验性的天文实验。
通过测试验收的中荷低频射电探测仪（NCLE）。来源：Twitter@ASTRON_NL
另一件是170毫米孔径的激光角反射镜。 前面我们说过，月球背面上的测站是无法进行激光测距的，但地月拉格朗日L2点可以呀！在这里架设的激光反射镜，不仅不会被月球遮挡，而且还可以测到比月球正面的几个激光反射棱镜离地球更远的距离。配合地面0.5米口径的激光发射望远镜和1米口径的激光接收望远镜，预计可以达到精度优于15毫米的单程测距，测距结果还可以帮助鹊桥号进行轨道校验[1]。
激光角反射镜工作原理图。来源：参考文献[1]
除了鹊桥号，这次还会顺带捎点啥？
由于执行此次鹊桥号发射任务的长征4号丙（CZ-4C）运载火箭尚有余力，这次还将一同发射两颗微卫星，这两颗微卫星由哈尔滨工业大学负责研发，因此取名叫龙江1号和龙江2号。
龙江1号和2号卫星结构图。来源：参考文献[3]
龙江1号和2号将被送入一个距离月球300千米×3000千米的环月椭圆轨道，然后一前一后编队飞行，以相距1～10千米（基线长度）的距离进行超长波天文干涉测量等实验。其中一颗微卫星还搭载了一台沙特阿拉伯研制的微型光学相机。
龙江1号和2号一前一后编队飞行。来源：参考文献[3]
而嫦娥4号的主角，着陆器和月球车，将于鹊桥号发射半年之后的12月发射升空。鹊桥号的设计寿命长达五年以上，也就是说，除了给设计寿命分别为6个月和3个月的嫦娥4号的着陆器和月球车提供中继服务之外，这颗卫星还将会继续在环地月拉格朗日L2点轨道上运行很久，给接下来国内外的月球背面探测任务提供中继服务。
在各个波段看宇宙
制图/中国国家天文
致谢： 本文感谢知友 @鸑鷟鹓鶵、@太空精酿 对本文内容提升所做的帮助。
参考
[1] 吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, & 张玮等. (2017). "嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计. 深空探测学报, 4(2), 111-117.
[2] Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.
[3] 张锦绣，陈学雷，曹喜滨，等. 月球轨道编队超长波天文观测微卫星任务[J]. 深空探测学报，2017，4（2）：158-165.
[4] Ye, P., Sun, Z., Zhang, H., & Li, F. (2017). An overview of the mission and technical characteristics of Change’4 Lunar Probe. Science China Technological Sciences, 60(5), 658-667.
本文来自镁客网，创业家系授权发布，略经编辑修改，版权归作者所有，内容仅代表作者独立观点。
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