首顆地球軌道外專用中繼通信衛星開啟探月新征程

來源：中國空間技術研究院微信公眾號

5月21日，嫦娥四號中繼星“鵲橋”在西昌衛星發射中心成功發射。作為嫦娥四號探月工程的關鍵一環，“鵲橋”的成功發射，標志著我國成功邁出了月球背面登陸工程中的第一步。截至目前，中國空間技術研究院已研制發射236顆航天器。

  由于月球的公轉速度與自轉速度相等，月球背面無法看見地球，因此嫦娥四號任務需要首先發射一顆中繼星，解決與月球背面的通信問題，這也將是世界首顆連通地月的中繼衛星，為著巡組合體安全抵達月球背面構筑信息通路。嫦娥四號中繼星“鵲橋”由中國空間技術研究院下屬航天東方紅衛星有限公司抓總研制。

  第一顆地球軌道外專用中繼通信衛星

隨著深空探測的發展，以及對月球和月球之外的天體和空間的探測，人類將航天活動的范圍擴展到月球、火星等天體處，隨之面臨著測控通信遠距離損失劇增、低覆蓋率、延時較大等許多技術難點。為了克服地基測控網絡的不足，同時為了適應未來航天技術的發展，需要尋找新的航天測控系統體制和更優的傳輸方式，以實現衛星與地面站之間的數據通信。應用中繼衛星技術應運而生。

對月中繼通信是利用中繼衛星作為轉發站，對環月、落月飛行器的信號進行中繼轉發的衛星通信方式，其一般是利用與地球長期可見的中繼衛星在環月或落月飛行器和地面站之間建立一條全天候、實時的高速通信鏈路，可為衛星、飛船等飛行器提供數據中繼和測控服務，并實現科學數據實時下傳至地面，極大提高此類衛星使用效益。

“鵲橋”是我國首顆，也是世界首顆地球軌道外專用中繼通信衛星。作為數據中轉站，它能夠實時的把在月面背面著陸的嫦娥四號探測器發出的科學數據第一時間傳回地球，具有重大的科學與工程意義，也是人類探索宇宙的又一有力嘗試。

  第一顆在地月L2平動點上

  采用Halo軌道的衛星

自從牛頓提出萬有引力定律以來，人們將其運用于計算太陽系中天體的位置。但是萬有引力定律描述的都是兩個天體之間的關系，在只有兩個天體的情況下，用牛頓理論可以很容易地得到天體的運行軌道，但是三個天體之間的作用力關系非常復雜以至于難以求解，稱為三體問題。瑞士科學家歐拉和法國科學家拉格朗日針對三體問題，求解出了五個特殊解，即L1-L5點，也稱為拉格朗日點。由于其特殊的空間位置和動力學特性，拉格朗日點成為開展空間探測的最佳位置。很多科學衛星都運行在拉格朗日點附近的軌道上。

為了實現對月球背面著陸器和巡視器的中繼任務，“鵲橋”的使命軌道為月球背面一側的地月L2平動點Halo軌道，這也是人類航天器首次涉足該軌道。根據設計，“鵲橋”衛星將在L2點做擬周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩定性。地月L2平動點位于地月連線的延長線上，距月球距離約6.5萬公里。由于地月距離是變化的，L2點距離月球的距離也是變化的，通過對使命軌道的設計，“鵲橋”與月球的距離不大于8萬公里，可實現對著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

  人類深空探測任務史上最大口徑通信天線

深空探測任務中難度最大的就是如何確保遠距離數據通信鏈路的可靠建立，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關鍵核心技術。

中繼星“鵲橋”上架設了一副展開后口徑達近5米的傘狀天線，這是人類深空探測器歷史上攜帶的最大口徑通信天線，它為“鵲橋”和地球之間鋪設了一架宏偉的高速橋梁，讓遙遠的星地距離變為大道通途，每時每刻將寶貴的科學數據從廣邈的外太空實時送達地球。

為了實現和保障“鵲橋”中繼功能的順利實現，研制人員給它配備了多副天線。其中，大口徑傘狀天線是最關鍵的一副，它直接指向月球，將與今年要發射的嫦娥四號探測器對接，不僅要將地面的測控指令說給探測器聽，還要聽清楚探測器給中繼星說了些啥。傘天線，顧名思義，像一把傘一樣，在中繼星與火箭分離一段時間后，這把“傘”就打開了，這把“傘”在太空中需要經歷嚴酷的考驗。嫦娥四號中繼星在浩瀚的太空中還會經歷一段沒有光照的陰影區，陰影區的溫度是-200℃左右，最冷的地方將達到-230℃，在如此嚴寒下，傘天線全身都“凍僵了”。為了讓它從“凍僵”的狀態中恢復過來，研究院的設計師們做了包括力學、熱學等不計其數的試驗，有效保障了傘天線能夠克服嚴酷環境。

  編輯：胡瀟瀟

  責編：邵素芝

  素材：航天東方紅衛星有限公司

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