中国在地月之间搭了一座鹊桥！“鹊桥”中继卫星有什么特殊能力？
北京科学中心2019-10-02 18:06
昨天我们了解了我国的三个“探海神器”，今天的“大国科技范”系列文章，我们把视角转向太空，走进“鹊桥”中继卫星。
2018年可以说是我国的航天年，这一年我们共完成了39次发射任务，其中最受瞩目的莫过于在2018年5月21日（所谓的“我爱你”纪念日）发射的“鹊桥”中继卫星。
该中继卫星也多次登上微博热搜榜，在这个情侣们疯狂撒糖的日子里，航天工作者们也浪漫了一把，给地月之间搭了座“鹊桥”。
那么中继卫星是做什么用的呢？中继卫星其实是通信卫星的一种，主要用于数据传输，其特点是数据传输量大，比如“鹊桥”就是为了给2019年1月发射的“嫦娥四号”探测器铺路。
我们都知道“嫦娥四号”软着陆于月球背面，月球背面也就是我们生活在地球上永远也看不到的一面，有朋友可能会问，为什么永远看不到月球背面呢？我们首先来解决这个问题。
为什么看不到月球背面？
我们都知道，月球绕着地球转的同时也在自转，而月球绕地球公转一周也正好完成自转一周，这是由于潮汐锁定的原因。
潮汐锁定简单来说就是，两个天体之间存在吸引力，这个吸引力与两者之间的距离成反比，月球绕地球公转的轨道呈椭圆形，近地点时引力大，远地点时引力小，在月球引力的作用下，包裹地球的海水就会在引力作用下产生潮涨潮落的现象，也就是所谓的“潮汐”。
而月球绕地球公转的方向与地球自转的方向相反，也就能想象到，潮水在水平方向的运动方向与地球上岩石的转动方向相反，两者之间就会产生摩擦，久而久之，会减缓地球的自转速度。
同样，地球对月球也有潮汐力，而且地球质量远大于月球，因此月球受到地球的潮汐力也就更大，也就是说，月球的自转会受到地球潮汐力的严重影响
日积月累，地球的潮汐力使月球的自转达到了一个没有摩擦力的平衡状态：月球的自转周期与它绕地球转一圈的周期实现同步，都是27.32天。这样一来，月球的一面就将永远朝向地球（如下图所示）。
由于月球被地球潮汐锁定，它只能永远以同一面朝向地球。这就意味着，在月球背面登陆的嫦娥四号与地球上的测控中心不仅相隔遥远的地月距离，而且还要隔着月球球体进行通信联系。
但通信信号无法穿透月球抵达其背面，这就需要中继卫星的帮助来实现数据传输，完成地面测控任务。
“鹊桥”的位置应该放在哪里呢？
学过数学、物理的朋友应该都熟悉这个人——拉格朗日，全名叫约瑟夫·路易斯·拉格朗日，他是著名数学家、物理学家，在数学、力学和天文学三个学科领域中都有历史性的贡献，比如他提出的关于三体问题的五个特解。
中学时我们都学过万有引力，宇宙中两个天体之间的作用力就可用万有引力描述，根据牛顿的理论就可算出天体的运行轨道，但是当出现第三个天体时，情况就变得复杂了，后来科学家们发现，三个天体中有一些点的位置很特殊，在这些点上，最小的天体相对于两个大天体基本保持静止。
瑞士科学家欧拉和法国科学家拉格朗日就算出了5个这样的点，即L1~L5点（如下图所示），也称为拉格朗日点或平动点。
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
“鹊桥”中继卫星的位置就是L2点，之所以选择这个点是因为这个点有三个重大优势：
随着这两个天体一同运动并与二者处在几何关系几乎不变的状态；两个天体引力平衡，卫星所需要的轨道维持燃料极少；没有天体遮挡，一直暴露在日照之下，太阳能丰富。
但是观察仔细的观众应该也发现了，如果中继卫星就在L2那一点处，那么中继星就会始终在月球背后，从地球上总是看不到它，也就不能进行中继通信了。
科学家们为了解决这个问题，采用了晕轨道形式。从地球上看，在晕轨道上运行的航天器呈现为围绕太阳或月球的视运动，看起来像日晕或月晕（也就是我们经常会看到的在太阳或月亮周围出现光环的一种气象现象）。
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
选择的晕轨道在与地-月连线垂直并通过平动点的平面附近，航天器距平动点的距离超过3500公里，围绕平动点的运动周期约为半个月，这样就使月球背面与地面实时通信的困难得到解决。
学习了以上知识点之后，我们大概就了解了，中继卫星其实就是卫星的卫星，对于“鹊桥”来说，它作为桥梁，连接“嫦娥四号”与地球上信号接收站，使两者之间能够进行良好的信息传送。
“鹊桥”装载有伞状抛物面天线、测控天线和数传天线三类低频射电天线。其中，伞状天线展开直径达4.2米，是人类深空探测史上口径最大的通信天线。它将直接指向月球，与“嫦娥四号”探测器对接，不仅要将地面的测控指令说给探测器听，还要听清楚探测器要对地球说些啥。
如此看来，如果没有“鹊桥”，不仅牛郎织女很难见面，就连“嫦娥四号”和地球也会失去联系哦~
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