錢航:嫦娥四號的專屬衛星——鵲橋中繼星

作者:Daphne   發表日期:2018-07-22 20:07:23   分類:

原標題:錢航:嫦娥四號的專屬衛星——鵲橋中繼星

來源:央視新聞客戶端

5月21日凌晨,中國成功發射了嫦娥四號月球探測器的中繼衛星「鵲橋」。隨後的幾天裏,中繼星「鵲橋」飛行到月球背面上空的地月引力平衡點L2點,並在那裏穩定地運行,為下半年發射並在月球背面着陸的嫦娥四號探測器提供通暢的地月中繼通信支持。為什麼發射嫦娥四號之前要先架設「鵲橋」?對於月球背面探測這一世界難題,中國給出了怎樣的解決方案?「鵲橋」中繼星的運行軌道有什麼特殊之處?

來看中國國家空間科學中心博士,現中國運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師錢航的獨家講述吧:

在中國乃至全世界,有一個從小就耳熟能詳的故事:相傳牛郎和織女被銀河隔開,只允許每年的農曆七月七日相見。為了讓牛郎和織女相會,各地的喜鵲就會飛過來用身體緊貼着搭成一座橋,此橋就叫做鵲橋。牛郎和織女便在這鵲橋上相會。而在5月21號,中國發射的這顆以「鵲橋」命名的月球中繼衛星,承載着這一美好寓意,發揮着同樣的作用。

△古城月夜

月背難探

月球是地球的衛星,同時也是距離地球最近的地外天體。人類自古以來都對月亮充滿好奇,隨着科技水平的進步,科學家們從遠距離觀測月球,到近距離接近月球,最後到成功登月,開始對這一星球進行了更加深入地了解。然而直至今日,這顆星球的許多秘密,尤其是月球背面,仍然未能解開。月球背面之所以顯得神秘,原因在於我們無法從地球上直接觀測到月球背面。月球這種規律稱為潮汐鎖定(或同步自轉、受俘自轉),發生在重力梯度使天體永遠以同一面對着另一個天體,即月球永遠以同一面朝向着地球。潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉一圈要花上繞着同伴公轉一圈相同的時間。這種同步自轉導致一個半球固定不變的朝向夥伴。月球的自轉和公轉周期都大約是4星期,因此無論何時從地球觀察月球,都能看見同一面的半球。直到1959年,從前蘇聯的太空船月球3號傳送回來的照片,才完整的看見月球背面。

嫦娥四號月球探測器是嫦娥三號的備份星,計劃將登陸月球背對地球一面的南極附近的艾特肯盆地。由於月球被地球潮汐鎖定,它只能永遠以同一面朝向地球。這就意味着,在月球背面登陸的嫦娥四號與地球上的測控中心不僅相隔遙遠的地月距離,而且還要隔着月球球體進行通信聯繫。但通信信號無法穿透月球抵達其背面,這就需要中繼衛星的幫助來實現數據傳輸,完成地面測控任務。這是「嫦娥」此次發射奔月之前先發射「鵲橋」衛星的原因。

中國方案

如果追溯人類第一次直接看到月球背面,那還是在1959年10月4日,蘇聯的「月球3號」探測器發射升空,開始飛往月球。此次,它前往月球的主要任務是揭開月球背面的神秘面紗。為了完成既定任務,科研人員對發射時間和飛行軌道做了精心安排,沒有直接快速飛向月球,而是在經過較長時間的飛行之後緩慢地繞到月球背面,在距離月球大約7000米處經過。當它繞過月球背面時,在地球上看到的是「新月」,太陽恰好在「月球3號」背面,照亮了遠離地球一側的月面,使得「月球3號」拍攝了人類不曾看到的月球背面圖片。在通過月球背面的40分鐘之內,兩個光學相機拍攝了29張照片,其中17張照片在飛行途中完成自動沖印,然後通過電視掃面轉換成電視信號,再通過無線通訊裝置傳送回地面,雖然最後得到的照片解像度很低,而且只覆蓋了月球背面70%的區域,但是卻記錄了人類對月球背面你的第一次觀察,展現了人類以前從未看到過的景象。

△首次拍下月球背面的照片

1968年12月24日,阿波羅登月計劃執行前夕,美國宇航局已經完成了對月球的無人探測和載人空間飛行,此時阿波羅8號任務即將實施,這個任務並不是登月,而是登月之前最重要的一次繞月飛行,這是人類歷史上第一次載人飛出近地軌道,抵達月球周圍的軌道上,繞月軌道距離月球表面大約100至300公里,太空人為弗蘭克·博爾曼、詹姆斯·洛弗爾和威廉姆斯·安德斯,他們還拍攝到航天史上最著名的照片:從月球軌道上看地球「升起」。這是人類首度親眼看到月球背面。由於月球背面佈滿了大量巨大的隕石坑,在當時的技術條件下,根本無法在月球背面着陸。更危險的是,如果航天器的月球背面着陸時,會和地球的無線電通信中斷,失去和地球的聯繫。

△阿波羅8號拍攝的地球升起

2004年,中國正式開展月球探測工程,並命名為「嫦娥工程」。目前,已經發射了嫦娥一號、二號和三號。嫦娥一號完成了我國探測器首次奔月,嫦娥二號是嫦娥一號的備份星,同屬探月一期工程,但完成了更多科學任務。嫦娥三號任務是我國探月工程「繞、落、回」三步走中的第二步,也是承前啟後的關鍵一步,它實現了我國航天器首次在地外天體軟着陸。2018年5月發射嫦娥四號中繼衛星,年底發射嫦娥四號探測器。嫦娥四號是嫦娥三號的備份星,實現人類探測器在月球背面首次軟着陸,開展原位和巡視探測,以及地月L2點中繼通信。2019年發射嫦娥五號探測器,實現區域軟着陸及採樣返回未來。未來,我國還發射嫦娥五號的備份星——嫦娥六號月球探測器,實現月球極區採樣返回。在完成中國探月工程繞月、落月、返回三期任務後,中國將繼續探月四期任務,包括月球背面着陸巡視、月面二次採樣返回、月球南極着陸探測、月球北極着陸。

其實在嫦娥三號出色完成預定任務後,科學家們在「嫦娥四號究竟做什麼」這個問題上意見不一致,為此爭論了兩年之久,分歧的核心是嫦娥四號是落在月球正面還是背面。剛開始很多人認為落在正面技術風險小,不要節外生枝。嫦娥系列月球探測器總指揮兼總設計師顧問葉培健院士認為,落到月球背面,如果成功了是一大亮點;如果不成功,因為這是人類第一次,也可以原諒。先不要講什麼科學意義、技術帶動,單從邏輯學上看,落到月球背面的科學意義就是一句話:背面沒去過!為了解決在背面與地球直接通信的問題,中國科學家提出了解決方案——把中繼衛星發射到月球背面上空的地月引力平衡點L2點。

三體問題

要回答什麼是引力平衡點,可以從我國當代知名科幻作家劉慈欣科幻小說《三體》說起,在這本小說里構造出了一個複雜而迷人的宇宙體系。但是,這樣一個忽然很規律、忽然很紊亂的三體系統在宇宙中是不存在的,即使存在,也會很快崩潰。不過,小說中提到三體問題,倒還真是天文學家和數學家們數百年來面臨的一個巨大難題。

自從牛頓提出萬有引力定律以來,人們就很容易精確計算出宇宙中兩個天體在引力作用下的運動情況,得到天體的運行軌道。但是,有第三個天體存在的話,情況就完全不同了,這三個天體之間的作用力關係就非常複雜以至於難以求解。而天體更多時,問題就更加複雜了。然而即使是極其簡化了的三體問題,從牛頓那時開始,在隨後的200多年中,歐拉、拉格朗日、拉普拉斯、龐加萊等等數學大師們絞盡了腦汁也未能將它攻克。既然三體問題難以解決,人們就開始嘗試求解一些經過簡化的三體問題,即所謂的限制性三體問題。我們考慮一種情況:兩個大質量天體(比如太陽和地球)相互繞轉,第三個天體的質量小到可以忽略(比如小行星、衛星或探測器),但是這個小天體又處於兩個大天體引力的影響下,這就是限制性三體運動。

18世紀的法國數學家拉格朗日在這個問題上做出了突破性的貢獻,他研究的是所謂的橢圓軌道限制性三體問題,橢圓軌道是宇宙中天體運動的常見軌道。拉格朗日對限制性橢圓軌道三體運動求出了五個特解,並由此計算出5個在三體系統中引力達到平衡的所謂「拉格朗日點」,如果把物體放到三體系統的拉格朗日點上,物體會保持相對靜止狀態。這5個拉格朗日點簡稱為L1-L5。其中,L1-L3都位於兩個大天體的連線或延長線上,L1-L3都是不穩定的,也就是說,如果這個點上的物體受到外界擾動而偏離了這個位置,就不會再回到這個位置,而是日漸遠離。L4和L5分別位於較小天體繞較大天體運行的軌道上,與兩較大天體組成非常穩定的等邊三角形。當時限於觀測條件,這個計算結果無法驗證,不過100多年後,天文學家在太陽系裏找到了實例,那就是特洛伊小行星群,這些小行星分成兩組,分別在木星-太陽系統的L4和L5上,和木星、太陽恰好組成了兩個等邊三角形。

△拉格朗日點

但如果把嫦娥四號中繼衛星直接部署到在這個拉格朗日點上,則中繼星就和月球一起以相等的角速度圍繞地球運動。可是中繼星始終在月球背後,從地球上總是看不到它,也就不能進行中繼通信了。為了解決這個問題,可採用暈軌道形式。從地球上看,在暈軌道上運行的航天器呈現為圍繞太陽或月球的視運動,也就是看起來像日暈或月暈。事實上,「暈」字借自日暈或月暈。日暈(或月暈)是太陽(或月亮)周圍出現光環的一種氣象現象。選擇的暈軌道在與地-月連線垂直並通過平動點的平面附近。航天器距平動點的距離超過3500公里,圍繞平動點的運動周期約為半個月。這樣就使月球背面與地面實時通信的困難得到解決。無論選擇哪一種暈軌道,航天器都要具有控制軌道的能力。這是因為,在同一直線上的平衡點(L1和L2拉格朗日點)實際上是動態不穩定的,擾動將使小天體離平衡位置越來越遠。因此在L1和L2點附近的航天器實際上需要靠自身的推進系統來進行軌道維持。

△嫦娥四號中繼星圖

對於這一整套月球背面着陸通信方案,中國科學家們都非常有信心,因為每一項技術都在之前的試驗飛行中得到了驗證。相信在後續任務中,嫦娥四號通過鵲橋中繼星會給人類傳遞更多關於月球和宇宙的真相!


本文來源:http://news.sina.com.cn/o/2018-05-21/doc-ihaturft5621439.shtml

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