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有了这条"天路" 不用担心落在月球背面嫦娥四号失联

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发表于 2018-12-5 10:37:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

  来源:上观新闻
  “嫦娥”未动,“鹊桥”先飞。2018年5月21日一早,备受瞩目的嫦娥四号中继卫星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功升空,并进入近地点高度200公里,远地点高度40万公里的预定地月转移轨道。后续,“鹊桥”经中途修正、近月制动和月球借力,并完成L2点捕获、轨道修正后,将最终进入环绕地月拉格朗日L2点的使命轨道。
  “鹊桥”是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星。为何要发射发射这样一颗中继卫星,并将其定点于L2点?它将给年底发射的嫦娥四号探月卫星起到怎样的作用?
  完成月球背面着陆壮举
  从“鹊桥”的学名“嫦娥四号中继卫星”,就可得知,其发射起源于嫦娥四号探月任务。那么先来说说嫦娥四号。
  嫦娥四号是嫦娥三号的备份,两者设计得几乎一模一样。嫦娥三号于2013年发射升空后,成功地将登月探测器降落在月球表面,并且释放出玉兔月球车,圆满完成了“观天、看地、测月”的科学探测和其它预定任务。因此,如何确定嫦娥四号的任务目标就显得非常重要。
  此前,航天专家叶培建表示,我国从无人探月到载人登月要结合起来,现在无人探月的技术还不能够支撑载人登月,而载人登月的技术缺乏一些基础准备,两者必须要结合起来。他认为探月将来还有很多事要做,这就带来一个问题:嫦娥三号的备份嫦娥四号将来干什么?据透露,相关部门曾用两年时间论证,核心是嫦娥四号要落在月球正面还是背面?很多人都认为要落到月球正面,比较牢靠;还有一种观点认为,我国之前已经落到过正面了,再去落一次意义不大。
  最终,国防科工局综合考虑国际前沿、科学价值、经济和技术可行性等因素,确定了月球背面软着陆和巡视勘察的总体方案。
  作为地球人心目中的神秘地带,月球背面长久以来备受瞩目。这里永远背对地球,难以直接观测,也因此在人们的幻想中成为了各式外星传说上演的热门区域。尽管冷战年代前苏联探月任务已经首次成功拍摄到月球背面图像,但这场人类第一次探月高潮却未能触及人造探测器在月球背面的着陆。
  如今,嫦娥四号将完成这一历史壮举。
  定位L2点有何讲究
  人类首次月球背面着陆探测的重任落在了嫦娥四号身上,但问题也随之而来。到月球背面并不容易,其中一大难题就是通信。
  由于被地球潮汐锁定,月球只能永远以同一面朝向地球。人类在地球上不仅从未见过月球背面,通信信号也会被阻隔。如何解决通信难题呢?专家论证,最好的办法就是在地月拉格朗日L2点布置一颗中继卫星,既能看到月球背面,也能看到地球,可以提供嫦娥四号软着陆及月面工作期间,地面给予的测控支持。
  地月拉格朗日L2点到月球的平均距离约为6.5万公里,距地球40多万公里。将鹊桥定位于L2点有何讲究?
  众所周知,自从牛顿提出万有引力定律以来,人们将其运用于计算太阳系中天体的位置。但是万有引力定律描述的都是两个天体之间的关系,在只有两个天体的情况下,用牛顿理论可以很容易地得到天体的运行轨道,但是三个天体之间的作用力关系非常复杂以至于难以求解,称为三体问题。瑞士科学家欧拉和法国科学家拉格朗日针对三体问题,求解出了五个特殊解,即L1-L5点,也称为拉格朗日点。由于其特殊的空间位置和动力学特性,拉格朗日点成为开展空间探测的最佳位置。
  简单来说,在地月L2点轨道具有以下优点:一是在此处地球和月球的引力之和使得中继星与月球同步绕地球运行,因此中继星能够连续对地球和对月球背面同时可见,提供全时段中继服务;二是光照条件好,航天器很少被地球或月球遮挡;三是此处受地球和月球的影响小,中继星长期运行所需轨道维持量较小,说白了就是节省燃料。


  按照计划,今天升空并将在后续经过约4-5天的飞行后,“鹊桥”将到达距离月面高度约100公里的近月点。经过近月制动后,在约21天的时间内,“鹊桥”将进行2次中途修正和3次捕获控制,进入Z向振幅约1.3万公里绕地月L2点的Halo轨道。
  可在零下200℃“死而复活”
  根据设计,“鹊桥”卫星将在L2点做拟周期运动,通过定期轨控保持轨道的稳定性。由于地月距离是变化的,L2点距离月球的距离也是变化的,通过对使命轨道的设计,“鹊桥”与月球的距离不大于8万公里,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖。
  地月连线的“天路”铺设好后,要确保远距离数据通信的畅通,就要看中继卫星“鹊桥”自身的本领了。
  中继星基于CAST100卫星平台设计,发射质量约为448公斤,工作寿命不小于3年。据“鹊桥”的制造者中国空间技术研究院介绍,为了实现和保障“鹊桥”中继功能的顺利实现,研制人员给它配备了多副天线。其中,大口径伞状天线是最关键的一副,它直接指向月球,将与今年底发射的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,还要听清楚探测器给中继星说了什么。




  伞天线,顾名思义,像一把伞一样,在中继星与火箭分离一段时间后,这把“伞”就打开了,这把“伞”在太空中需要经历严酷的考验。“鹊桥”在浩瀚的太空中还会经历一段没有光照的阴影区,阴影区的温度是-200℃左右,最冷的地方将达到-230℃,在如此严寒下,伞天线全身都会被“冻僵”。为了让它从“冻僵”的状态中恢复过来,设计师们做了包括力学、热学等不计其数的试验,可有效保障伞天线能够克服严酷环境。
  “鹊桥”,源于牛郎织女的民间传说,每年七夕各地喜鹊都会在银河上架起桥梁,供他们相聚。如今,我国的航天设计师把传说变为现实,在人类探索宇宙的征程上又迈出重要一步。按照计划,“鹊桥”将在今年年底等待前来月球背面执行探测任务的嫦娥四号着陆器和巡视器。届时,“鹊桥”将正式提供中继通信服务,为地球和月球搭建一条跨越40多万公里的通信“桥梁”。
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