嫦娥四號：“鵲橋”早在那兒等著你

　　浩(hao)瀚(han)宇宙，太陽(yang)系(xi)一隅，在地球(qiu)與月球(qiu)之間，一座貼有中國標簽的(de)“鵲橋(qiao)”，已經搭建完畢(bi)，其(qi)任務是迎(ying)接(jie)到訪月球(qiu)的(de)地球(qiu)客人——嫦娥(e)四號(hao)。

　　多年前，它的“同胞(bao)姐(jie)姐(jie)”嫦娥三(san)號曾(ceng)探訪過。多年后的今天(tian)，嫦娥四(si)號帶(dai)著人(ren)類(lei)首次月球背面軟著陸(lu)巡視探測的神圣使命飛往月球。

　　探(tan)月之路，路途遙遠；每邁一(yi)步，充滿艱(jian)險。為了讓(rang)嫦娥四號(hao)遠航之途平平安(an)安(an)，中國航天(tian)人早就做(zuo)好了周(zhou)密打算。

　　“嫦(chang)娥”未動，“鵲橋”先行。半年多前，帶著探月(yue)中(zhong)繼通信任務的“先行官(guan)”——“鵲橋”中(zhong)繼星(xing)進入使命軌(gui)道，為此次發射(she)的嫦(chang)娥四(si)號(hao)架起一座(zuo)最長的“橋”。

　　為什么嫦娥奔月要先架“鵲橋”？

　　嫦娥“隔山喊話”，地球有應必答

　　提起(qi)“鵲橋(qiao)”，大多數人會想到(dao)牛郎和織女的愛(ai)情(qing)故事。

　　為(wei)了讓牛(niu)郎(lang)和織(zhi)女相會，各(ge)地喜(xi)鵲會飛(fei)過來用身(shen)體緊貼著搭(da)成一座(zuo)橋——鵲橋，牛(niu)郎(lang)和織(zhi)女便在鵲橋上(shang)相會。

　　在我(wo)國嫦娥四號探月(yue)工程中(zhong)，一款以“鵲橋”命(ming)名的中(zhong)繼星(xing)，承載著(zhu)這一美(mei)好寓意，實現(xian)了“地月(yue)傳(chuan)書”。

　　有人(ren)(ren)問：“嫦娥未動(dong)，為何(he)‘鵲橋’先行？”回答(da)這個問題(ti)前，我們先談(tan)談(tan)月(yue)(yue)背之謎。嫦娥四號探測器將在(zai)月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)背面(mian)軟著陸，但月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)背面(mian)如深處閨房的(de)嬌羞少女一樣從不示人(ren)(ren)，由于地(di)球(qiu)(qiu)和(he)月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)存(cun)在(zai)潮汐鎖(suo)定，月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)的(de)自轉(zhuan)周期和(he)公(gong)轉(zhuan)周期完全相同。數百萬年來，人(ren)(ren)類都只能看到(dao)(dao)月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)的(de)“正(zheng)臉”，卻絲毫看不到(dao)(dao)月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)背面(mian)。

　　雖然月(yue)球“近在咫尺”，但人類對(dui)(dui)它(ta)依(yi)舊謎(mi)團重(zhong)(zhong)重(zhong)(zhong)。200多年前，“科(ke)幻(huan)小(xiao)(xiao)說之父”儒爾·凡爾納創(chuang)作的(de)(de)《從地(di)(di)球到月(yue)球》，開啟了人類對(dui)(dui)月(yue)球的(de)(de)探索(suo)與(yu)想(xiang)(xiang)象。月(yue)球背面作為地(di)(di)球難(nan)以觀(guan)測的(de)(de)一角，在后來的(de)(de)科(ke)幻(huan)小(xiao)(xiao)說里催生出(chu)大量的(de)(de)太空幻(huan)想(xiang)(xiang)。

　　直到1959年，從蘇聯(lian)的“月(yue)(yue)球(qiu)3號(hao)”傳送回(hui)來(lai)的照片上， 才(cai)讓(rang)人類(lei)有(you)幸一(yi)睹月(yue)(yue)球(qiu)背面的真容。那(nei)次任務，是具有(you)冒險性的探索。沒有(you)中繼星，“月(yue)(yue)球(qiu)3號(hao)”只能選擇被(bei)動(dong)飛(fei)行模(mo)式。在飛(fei)過(guo)月(yue)(yue)球(qiu)背面之時(shi)，地(di)球(qiu)被(bei)迫失聯(lian)，人們只能眼(yan)睜(zheng)睜(zheng)看著飛(fei)船從月(yue)(yue)球(qiu)背面一(yi)側(ce)消失，又從另一(yi)側(ce)浮(fu)現(xian)。當“月(yue)(yue)球(qiu)3號(hao)”繞回(hui)月(yue)(yue)球(qiu)“正臉”，才(cai)將(jiang)月(yue)(yue)背照片發送給了地(di)球(qiu)。

　　之所以采用這(zhe)種冒(mao)險方式(shi)，是(shi)因為處在(zai)月球背(bei)面(mian)的航天器(qi)會(hui)被(bei)月球所遮擋(dang)，地球和航天器(qi)無法取得聯系(xi)。就像兩(liang)個(ge)人“隔山喊(han)話”，無法相互(hu)聽到，更何況這(zhe)座高山是(shi)月球。

　　當然，嫦娥四(si)號并不(bu)是月背的(de)匆匆過客，而(er)要在那(nei)里(li)多住(zhu)些時日。如何破解“隔山(shan)喊話”的(de)難題？這時候(hou)，“鵲橋”中繼(ji)星派上用場了(le)。

　　“鵲橋”中繼星能同時將地球、月(yue)球背面(mian)納(na)入視野(ye)，從而扮演兩個原本被(bei)隔絕(jue)地點之(zhi)間的“傳球手(shou)”。

　　事實上，要建起連接地球(qiu)和月(yue)球(qiu)、跨越40多萬公(gong)里的(de)(de)“星(xing)際穿越”通(tong)(tong)信(xin)鏈路(lu)，考(kao)驗(yan)的(de)(de)是每一位(wei)“隊友(you)”通(tong)(tong)力合作、協同(tong)“跑位(wei)”、精準(zhun)“傳(chuan)球(qiu)”的(de)(de)能力。過(guo)去(qu)幾(ji)個月(yue)，提(ti)前進(jin)入(ru)戰位(wei)的(de)(de)“鵲橋”中(zhong)繼星(xing)，已經(jing)進(jin)行了(le)中(zhong)繼通(tong)(tong)信(xin)功能的(de)(de)在軌“訓(xun)練”；地球(qiu)測控站(zhan)的(de)(de)“牧(mu)星(xing)人”，多次操演(yan)了(le)任務全流程及應急(ji)預案，他們精心守護“鵲橋”，只為等候“嫦娥”傳(chuan)來的(de)(de)第一條月(yue)背信(xin)息。

　　“鵲橋”中繼星有哪些特點？

　　中繼星“新秀”，有“內涵”、“道具”多

　　“鵲橋”中繼(ji)星“個頭(tou)”不大，整(zheng)個“體重”只有(you)448公斤。

　　別(bie)看外表不(bu)起眼，但“里子”有“內(nei)涵”。40多(duo)萬(wan)公(gong)里的通信距離，“鵲(que)橋(qiao)”架(jia)起的是世界上最長(chang)的“橋(qiao)”。

　　說(shuo)起“鵲橋”，容(rong)易讓人聯想到技(ji)術堪稱成熟的“天鏈(lian)(lian)一(yi)(yi)(yi)號(hao)”中繼(ji)星。11年(nian)前，第一(yi)(yi)(yi)顆(ke)“天鏈(lian)(lian)一(yi)(yi)(yi)號(hao)”發射成功。11年(nian)間(jian)，相繼(ji)發射的4顆(ke)“天鏈(lian)(lian)一(yi)(yi)(yi)號(hao)”中繼(ji)星組網(wang)運行，成功實(shi)現(xian)對中、低軌航天器全球100%覆蓋。

　　與(yu)“天鏈一(yi)號”相比，“鵲橋(qiao)”中(zhong)繼星(xing)有一(yi)個最大不同點(dian)——“天鏈一(yi)號”對(dui)數(shu)據(ju)(ju)(ju)采取透明(ming)轉發方式，即(ji)(ji)不對(dui)數(shu)據(ju)(ju)(ju)做處(chu)理，保持“原(yuan)汁原(yuan)味”；而“鵲橋(qiao)”中(zhong)繼星(xing)屬于“再生轉發”，即(ji)(ji)先對(dui)數(shu)據(ju)(ju)(ju)進(jin)行“解(jie)碼”“去格式”“復接(jie)”“編(bian)碼”等處(chu)理，再發送。可以看(kan)出，“鵲橋(qiao)”中(zhong)繼星(xing)實現了全面升級。

　　“鵲(que)橋(qiao)(qiao)”中繼星上架設(she)的4.2米“巨傘”，是(shi)人類深空探測(ce)器歷(li)史上最大口徑太空通信天線。這(zhe)張“巨傘”張開(kai)后，為“鵲(que)橋(qiao)(qiao)”中繼星和地(di)球(qiu)之間(jian)架設(she)一座傘狀“橋(qiao)(qiao)”，可以為嫦娥四號著(zhu)陸器、巡視器與地(di)面測(ce)控(kong)站之間(jian)的“地(di)月對話”提供便(bian)利。

　　除了(le)“巨(ju)傘”，“鵲橋(qiao)”中繼(ji)星還有一面超高清“反(fan)光(guang)鏡”——激光(guang)角(jiao)反(fan)射器。地球觀測(ce)站發出的(de)(de)激光(guang)波束，可以準(zhun)確找到40多萬(wan)公里外高速(su)飛行(xing)的(de)(de)“鵲橋(qiao)”中繼(ji)星，通過(guo)發送、接收的(de)(de)時間差，計算出星地距(ju)(ju)離(li)(li)，這是人類歷史(shi)上最遠(yuan)距(ju)(ju)離(li)(li)的(de)(de)激光(guang)測(ce)距(ju)(ju)試(shi)驗。

　　值得一(yi)提的是，中(zhong)國航天(tian)人(ren)(ren)還給遠(yuan)在天(tian)邊(bian)的“鵲橋”中(zhong)繼星安(an)裝(zhuang)了多部“手(shou)機”，地(di)面工作(zuo)人(ren)(ren)員可以同時給這(zhe)幾(ji)部“手(shou)機”打電話，發出相同的遙控指(zhi)令(ling)，以規避“因(yin)距離(li)遠(yuan)或其他未知因(yin)素”造成的信號中(zhong)斷、信息傳送不(bu)準確等問題。

　　“鵲(que)橋(qiao)(qiao)”中(zhong)繼星在廣(guang)袤的(de)(de)太空中(zhong)，會(hui)經歷一(yi)段沒有光照的(de)(de)時光，陰影區的(de)(de)溫度在-200℃左右，最冷(leng)的(de)(de)區域達(da)到(dao)-230℃以下(xia)。在如此嚴寒環(huan)境中(zhong)，“鵲(que)橋(qiao)(qiao)”全身都(dou)會(hui)被(bei)(bei)“凍(dong)僵”。為此，中(zhong)國航天人采用了特(te)殊(shu)材料，并進(jin)行大量的(de)(de)極端環(huan)境下(xia)的(de)(de)試驗，讓“鵲(que)橋(qiao)(qiao)”中(zhong)繼星不被(bei)(bei)“凍(dong)壞”。

　　為什么“選址”地月L2點做Halo軌道運行？

　　不走尋常路，地球、月背上演“同框”

　　2018年5月21日(ri)，一個象征良緣的(de)日(ri)子。“鵲橋”中繼星在(zai)西昌衛星發射中心(xin)奔向太空，進入預定地月轉移軌道，開始了搭建地月信息聯通(tong)“鵲橋”的(de)航(hang)程。

　　“鵲橋”中繼星發射(she)后不(bu)久，有專家一連用3個“首次”道出嫦娥探月工程的不(bu)易。

　　人類首(shou)次實(shi)現月(yue)(yue)背軟著陸，首(shou)次采用地(di)月(yue)(yue)中(zhong)繼(ji)(ji)星通(tong)信，首(shou)次選擇地(di)月(yue)(yue)拉格朗(lang)日L2點。3個“首(shou)次”看似比(bi)較獨立，其實(shi)聯系(xi)極為緊密。嫦娥四號選擇月(yue)(yue)背著陸，就少不了中(zhong)繼(ji)(ji)星；有(you)了中(zhong)繼(ji)(ji)星，必然要找到合適的(de)地(di)月(yue)(yue)引(yin)力平(ping)衡點。其實(shi)，問題(ti)的(de)根本是點位的(de)選擇。

　　幸(xing)運的是，200多年前(qian)，瑞士科學(xue)家(jia)歐(ou)拉(la)和法國科學(xue)家(jia)拉(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)用高超(chao)的智慧，計算出拉(la)格(ge)(ge)朗(lang)日(ri)L1-L5點(dian)(dian)。部署在(zai)這(zhe)5個(ge)點(dian)(dian)的小(xiao)(xiao)衛(wei)星或小(xiao)(xiao)天體(ti)相對兩個(ge)大天體(ti)基本保持靜止，這(zhe)也是航天人一(yi)直(zhi)追求的地月(yue)引(yin)力平衡點(dian)(dian)。

　　200多年后(hou)的今天，中國(guo)航天人為(wei)“嫦娥(e)奔月”架起一(yi)座(zuo) “鵲橋”。這一(yi)次，他們(men)選擇了一(yi)個“有趣”的點位——地月拉(la)格朗日(ri)L2點。

　　之(zhi)所以選擇地月拉格朗日L2點，中(zhong)國航天人有三點考(kao)慮：

　　——這(zhe)個點(dian)處于(yu)地球和(he)月球兩點(dian)連線的延長(chang)線上，且在月球一(yi)側。在這(zhe)里，“鵲橋(qiao)”有機(ji)會(hui)和(he)地球、月球背面進行信(xin)息和(he)數(shu)據交換；

　　——光照(zhao)條件好，航天器很少(shao)被地球(qiu)或月球(qiu)遮擋；

　　——受地(di)球和月球的影響小(xiao)(xiao)，中繼星(xing)長期(qi)運行所(suo)需(xu)軌(gui)道維持量(liang)較(jiao)小(xiao)(xiao)，說白了(le)就(jiu)是節省燃(ran)料(liao)。

　　當然(ran)，如果中繼星“守”在地月拉格(ge)朗日L2點(dian)“一動不動”，受(shou)月球(qiu)的遮擋，仍然(ran)“看不見”地球(qiu)。走哪條“路”？“路線”是什(shen)么(me)樣？這曾是航天人為(wei)之困擾(rao)的問(wen)題。

　　擺在他們面前(qian)的兩條“路”，一個(ge)是李薩茹軌(gui)道，另一個(ge)是Halo軌(gui)道——這就需要中(zhong)國航天人作出(chu)抉擇，究竟去(qu)哪個(ge)軌(gui)道。

　　這一(yi)次，中國航天人不走(zou)尋常路，最(zui)終(zhong)敲定將Halo軌(gui)(gui)道(dao)(dao)作為“鵲橋(qiao)”中繼(ji)星的使命軌(gui)(gui)道(dao)(dao)。“鵲橋(qiao)”在這一(yi)軌(gui)(gui)道(dao)(dao)上(shang)做擬周(zhou)期(qi)(qi)運動，可以(yi)上(shang)演“同框”——既能(neng)(neng)“看見(jian)”地球(qiu)，又能(neng)(neng)“看見(jian)”月球(qiu)背面(mian)。“鵲橋(qiao)”通過定期(qi)(qi)軌(gui)(gui)道(dao)(dao)控制來保持軌(gui)(gui)道(dao)(dao)的穩定性，實現(xian)對嫦娥四(si)號的中繼(ji)通信覆蓋(gai)。

　　事(shi)實上(shang)，早在上(shang)世紀50年(nian)代，國際航天界便提過中繼星Halo軌道的概念。只(zhi)是時至今日，人類才將這一設想變為現(xian)實。

　　“人類歷史上(shang)航天器首次造訪地(di)月(yue)L2點，做Halo軌道飛(fei)行，這并不(bu)容易。”有專家打過(guo)一個(ge)比方(fang)：“鵲橋(qiao)”中繼星在Halo軌道上(shang)運行，就像(xiang)一個(ge)調皮的(de)孩子，只要一段時間(jian)不(bu)關注他(ta)，就可能會(hui)“離家出走”，甚至不(bu)知所蹤(zong)。這就需要中繼星時刻保持高穩定、高精度(du)的(de)姿態(tai)和角度(du)。

　　為(wei)(wei)了看好這(zhe)個調皮的(de)“孩子”，“家長們”專門為(wei)(wei)“鵲橋”中繼(ji)星量身定制了具(ju)有高智能(neng)化水平、全天候、全天時、全空域(yu)運行能(neng)力(li)的(de)光纖陀螺慣性(xing)測量單(dan)元，這(zhe)將擺脫之前姿(zi)態(tai)敏感器需要借助地(di)球、太(tai)陽等天體來(lai)定位(wei)的(de)束縛，大(da)大(da)提升其軌(gui)道(dao)控(kong)制能(neng)力(li)。

　　同(tong)時，“鵲橋”中(zhong)(zhong)(zhong)繼星已具備在(zai)1000m/s高速在(zai)軌(gui)飛(fei)行(xing)過程中(zhong)(zhong)(zhong)，速度(du)控制(zhi)精度(du)誤差不(bu)大(da)于0.02m/s的(de)本領，可以說(shuo)是“在(zai)高速奔跑中(zhong)(zhong)(zhong)還可以穩(wen)(wen)穩(wen)(wen)地(di)做(zuo)微雕”。這一“自主可控、毫厘(li)不(bu)差”的(de)能(neng)耐，讓航天(tian)人實(shi)施的(de)軌(gui)道控制(zhi)周期延長(chang)到7天(tian)左(zuo)右一次，為中(zhong)(zhong)(zhong)繼星安全(quan)、長(chang)期、穩(wen)(wen)定在(zai)軌(gui)運行(xing)打下基礎(chu)。

　　瞄向“月(yue)之(zhi)背”的(de)(de)“鵲橋”是(shi)人(ren)類探索月(yue)球(qiu)(qiu)邁出(chu)的(de)(de)堅實(shi)一(yi)步(bu)，也是(shi)創新性一(yi)步(bu)。在“鵲橋”的(de)(de)幫(bang)助下，“月(yue)之(zhi)背”將第一(yi)次(ci)聽到(dao)來自(zi)地球(qiu)(qiu)“親人(ren)”的(de)(de)叩門聲。（記者 張新 鄒(zou)維榮 段江(jiang)山(shan)）