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解读|为什么发射嫦娥四号之前要先架设鹊桥?(附发射视频)

发布于2020-08-01 12:50:32

引言


5月21日凌晨,中国成功发射了嫦娥四号月球探测器的中继卫星“鹊桥”。随后的几天里,“鹊桥”号中继星将飞行到月球背面上空的地月引力平衡点L2点,并在那里稳定地运行,为下半年发射并在月球背面着陆的嫦娥四号探测器提供通畅的地月中继通信支持。

由于国内发射的特殊性,本号不便发布原创文章,所以精选了一篇转载

本文刊载在公众号“央视新闻”,作者:钱航,中国国家空间科学中心博士,现中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师




 星箭分离 


 “喜鹊开屏” 


 奔向月球 


 运行于Halo轨道 


 开展通信中继和科学技术试验 


 支持着陆器/巡视器组合体在着陆时与地面建立上下行通信链路 



 支持着陆器、巡视器在月球背面开展科学探测 







月背难探


月球是地球的卫星,同时也是距离地球最近的地外天体。人类自古以来都对月亮充满好奇,随着科技水平的进步,科学家们从远距离观测月球,到近距离接近月球,最后到成功登月,开始对这一星球进行了更加深入地了解。



然而直至今日,这颗星球的许多秘密,尤其是月球背面,仍然未能解开。月球背面之所以显得神秘,原因在于我们无法从地球上直接观测到月球背面。月球这种规律称为潮汐锁定(或同步自转、受俘自转),发生在重力梯度使天体永远以同一面对着另一个天体,即月球永远以同一面朝向着地球。潮汐锁定的天体绕自身的轴旋转一圈要花上绕着同伴公转一圈相同的时间。这种同步自转导致一个半球固定不变的朝向伙伴。月球的自转和公转周期都大约是4星期,因此无论何时从地球观察月球,都能看见同一面的半球。直到1959年,从前苏联的太空船月球3号传送回来的照片,才完整的看见月球背面。


嫦娥四号月球探测器是嫦娥三号的备份星,计划将登陆月球背对地球一面的南极附近的艾特肯盆地。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。

这是“嫦娥”此次发射奔月之前先发射“鹊桥”卫星的原因。



中国方案


如果追溯人类第一次直接看到月球背面,那还是在1959年10月4日,苏联的“月球3号”探测器发射升空,开始飞往月球。它前往月球的主要任务是揭开月球背面的神秘面纱。为了完成既定任务,科研人员对发射时间和飞行轨道做了精心安排,没有直接快速飞向月球,而是在经过较长时间的飞行之后缓慢地绕到月球背面,在距离月球大约7000米处经过。当它绕过月球背面时,在地球上看到的是“新月”,太阳恰好在“月球3号”背面,照亮了远离地球一侧的月面,使得“月球3号”拍摄了人类不曾看到的月球背面图片。在通过月球背面的40分钟之内,两个光学相机拍摄了29张照片,其中17张照片在飞行途中完成自动冲印,然后转换成电视信号,再通过无线通讯装置传送回地面,虽然最后得到的照片分辨率很低,而且只覆盖了月球背面70%的区域,但是却记录了人类对月球背面的第一次观察,展现了人类以前从未看到过的景象。



1968年12月24日,阿波罗登月计划执行前夕,美国宇航局已经完成了对月球的无人探测和载人空间飞行,此时阿波罗8号任务即将实施,这个任务并不是登月,而是登月之前最重要的一次绕月飞行,这是人类历史上第一次载人飞出近地轨道,抵达月球周围的轨道上,绕月轨道距离月球表面大约100至300公里,宇航员为弗兰克·博尔曼、詹姆斯·洛弗尔和威廉姆斯·安德斯,他们还拍摄到航天史上最著名的照片:从月球轨道上看地球“升起”。这是人类首度亲眼看到月球背面。由于月球背面布满了大量巨大的陨石坑,在当时的技术条件下,根本无法在月球背面着陆。更危险的是,如果航天器在月球背面着陆时,会和地球的无线电通信中断,失去和地球的联系。


2004年,中国正式开展月球探测工程,并命名为“嫦娥工程”。

目前,已经发射了嫦娥一号、二号和三号。

嫦娥一号完成了我国探测器首次奔月,嫦娥二号是嫦娥一号的备份星,同属探月一期工程,但完成了更多科学任务。嫦娥三号任务是我国探月工程“绕、落、回”三步走中的第二步,也是承前启后的关键一步,它实现了我国航天器首次在地外天体软着陆。2018年5月发射嫦娥四号中继卫星,年底发射嫦娥四号探测器。嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,实现人类探测器在月球背面首次软着陆,开展原位和巡视探测,以及地月L2点中继通信。2019年发射嫦娥五号探测器,实现区域软着陆及采样返回。未来,我国还发射嫦娥五号的备份星——嫦娥六号月球探测器,实现月球极区采样返回。在完成中国探月工程绕月、落月、返回三期任务后,中国将继续探月四期任务,包括月球背面着陆巡视、月面二次采样返回、月球南极着陆探测、月球北极着陆。



其实在嫦娥三号出色完成预定任务后,科学家们在“嫦娥四号究竟做什么”这个问题上意见不一致,为此争论了两年之久,分歧的核心是嫦娥四号是落在月球正面还是背面。刚开始很多人认为落在正面技术风险小,不要节外生枝。嫦娥系列月球探测器总指挥兼总设计师顾问叶培健院士认为,落到月球背面,如果成功了是一大亮点;如果不成功,因为这是人类第一次,也可以原谅。先不要讲什么科学意义、技术带动,单从逻辑学上看,落到月球背面的科学意义就是一句话:背面没去过!为了解决在背面与地球直接通信的问题,中国科学家提出了解决方案——把中继卫星发射到月球背面上空的地月引力平衡点L2点。


三体问题


要回答什么是引力平衡点,可以从我国当代知名科幻作家刘慈欣科幻小说《三体》说起,在这本小说里构造出了一个复杂而迷人的宇宙体系。但是,这样一个忽然很规律、忽然很紊乱的三体系统在宇宙中是不存在的,即使存在,也会很快崩溃。不过,小说中提到三体问题,倒还真是天文学家和数学家们数百年来面临的一个巨大难题。


自从牛顿提出万有引力定律以来,人们就很容易精确计算出宇宙中两个天体在引力作用下的运动情况,得到天体的运行轨道。但是,有第三个天体存在的话,情况就完全不同了,这三个天体之间的作用力关系就非常复杂以至于难以求解。而天体更多时,问题就更加复杂了。然而即使是极其简化了的三体问题,从牛顿那时开始,在随后的200多年中,欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、庞加莱等等数学大师们绞尽了脑汁也未能将它攻克。既然三体问题难以解决,人们就开始尝试求解一些经过简化的三体问题,即所谓的限制性三体问题。我们考虑一种情况:两个大质量天体(比如太阳和地球)相互绕转,第三个天体的质量小到可以忽略(比如小行星、卫星或探测器),但是这个小天体又处于两个大天体引力的影响下,这就是限制性三体运动。


18世纪的法国数学家拉格朗日在这个问题上做出了突破性的贡献,他研究的是所谓的椭圆轨道限制性三体问题,椭圆轨道是宇宙中天体运动的常见轨道。拉格朗日对限制性椭圆轨道三体运动求出了五个特解,并由此计算出5个在三体系统中引力达到平衡的所谓“拉格朗日点”,如果把物体放到三体系统的拉格朗日点上,物体会保持相对静止状态。这5个拉格朗日点简称为L1-L5。其中,L1-L3都位于两个大天体的连线或延长线上,L1-L3都是不稳定的,也就是说,如果这个点上的物体受到外界扰动而偏离了这个位置,就不会再回到这个位置,而是日渐远离。L4和L5分别位于较小天体绕较大天体运行的轨道上,与两较大天体组成非常稳定的等边三角形。当时限于观测条件,这个计算结果无法验证,不过100多年后,天文学家在太阳系里找到了实例,那就是特洛伊小行星群,这些小行星分成两组,分别在木星-太阳系统的L4和L5上,和木星、太阳恰好组成了两个等边三角形。



但如果把嫦娥四号中继卫星直接部署到在第二拉格朗日点上,则中继星就和月球一起以相等的角速度围绕地球运动。

可是中继星始终在月球背后,从地球上总是看不到它,也就不能进行中继通信了。为了解决这个问题,可采用晕轨道形式。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,也就是看起来像日晕或月晕。事实上,“晕”字借自日晕或月晕。日晕(或月晕)是太阳(或月亮)周围出现光环的一种气象现象。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。无论选择哪一种晕轨道,航天器都要具有控制轨道的能力。这是因为,在同一直线上的平衡点(L1和L2拉格朗日点)实际上是动态不稳定的,扰动将使小天体离平衡位置越来越远。因此在L1和L2点附近的航天器实际上需要靠自身的推进系统来进行轨道维持。



对于这一整套月球背面着陆通信方案,中国科学家们都非常有信心,因为每一项技术都在之前的试验飞行中得到了验证。相信在后续任务中,嫦娥四号通过鹊桥中继星会给人类传递更多关于月球和宇宙的真相!


(文丨钱航 中国国家空间科学中心博士,现中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师)

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监制/杨继红  主编/

张天宇


编辑/江永韬


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