連通地月的星際使者——“鵲橋”

尹懷勤

2019年1月11日，國家航天局宣布嫦娥四號任務取得圓滿成功。1月15日，媒體報道，美國希望中方能延長“鵲橋”中繼衛(wèi)星的壽命，為美國未來登陸月背提供幫助。

嫦娥四號任務的成功，創(chuàng)造了引人注目的兩個世界“第一”：第一次在地月連線上的拉格朗日L2點的垂直面上設置的“鵲橋”中繼衛(wèi)星發(fā)揮了重要作用;由探測器和玉兔二號月球車組成的嫦娥四號成為世界上第一個成功軟著陸于月球背面的探測器。

由于地球強大的引力讓月球永遠只能以一面朝向地球，因此人類雖然成功探月和登月，但都只是在月球的可見面進行，人類對月球背面的情況知之甚少。登陸月背，就要解決飛臨和著陸月球背面的探測器與地球間的通信問題。解決這個難題，是嫦娥四號能夠成功實施軟著陸月背并開展探測工作的關鍵環(huán)節(jié)。我國探月工程的工程師們找到的辦法就是：將一顆中繼衛(wèi)星發(fā)射到一個既能看到地球，又能看到月背的空間區(qū)域，在那里承擔起月球背面與地球之間的通信任務。

2018年5月21日，“嫦娥”未動，“鵲橋”先行。2018年6月14日，鵲橋中繼衛(wèi)星進入環(huán)繞距月球背面約6.5萬千米的地月連線上的拉格朗日L2點的暈軌道，成為世界上首顆運行在地月拉格朗日L2暈軌道的衛(wèi)星。從地球上看，在暈軌道上運行的航天器呈現(xiàn)為月球的視運動，也就是看起來很像月暈。

“鵲橋”中繼衛(wèi)星選擇的暈軌道與地月連線垂直，位于通過拉格朗日L2點的垂直平面附近。中繼衛(wèi)星與拉格朗日L2點的距離超過3500千米，繞拉格朗日L2點一周的時間約為半個月。把“鵲橋”搭在此處，月球背面與地球間的實時通信便成為可能。暈軌道上的“鵲橋”具有控制軌道的能力，這是因為拉格朗日L2點實際上是動態(tài)不穩(wěn)定的，此處的擾動將使小天體離拉格朗日L2點的位置越來越遠。因此環(huán)繞拉格朗日L2點運行的中繼衛(wèi)星實際上需要依靠自身攜帶的推進系統(tǒng)來進行軌道維持。

由于地球和月球是兩個質(zhì)量巨大的天體，所以它們的拉格朗日L2點實際上是一塊大面積區(qū)域，鵲橋中繼衛(wèi)星可以在這片區(qū)域的任意點上繞地球公轉(zhuǎn)。同時，它會受到地月系引力連線范圍的影響，大致運行出一個環(huán)形軌跡。又由于“鵲橋”在拉格朗日L2點處繞行地球的同時還會受太陽引力的影響，這便導致它的運行軌跡是一條猶如花瓣般的曲線。

作為全球第一個登陸月球背面的國家，鵲橋中繼衛(wèi)星和嫦娥四號成為我國航天科技一張閃亮的新名片，連美國國家航空航天局（NASA）都向我國拋出了橄欖枝。起初，在得知中國要發(fā)射中繼衛(wèi)星并探測月背時，美國科學家在一次國際會議上便向中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁提出合作請求。美方希望中方延長中繼衛(wèi)星的使用壽命并在嫦娥四號上放置美方的信標機。

“鵲橋”運行軌道示意圖

在2019年1月舉行的嫦娥四號任務取得圓滿成功的新聞發(fā)布會上，國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳艷華表示，中美雙方此次開展了積極合作，利用正在月球軌道上運行的美國月球觀測衛(wèi)星，對嫦娥四號探測器進行了觀測。在確定了嫦娥四號的探月計劃和時間后，美方還提出了一個請求，希望能預先獲知著陸時間和地點，好讓自己的衛(wèi)星能調(diào)整到著陸點上空，記錄著陸瞬間的精確信息。而我國同意合作之后，也在任務前向美方通報了嫦娥四號此次月背著陸的具體坐標和時間，NASA則向我國分享了來自美國衛(wèi)星監(jiān)測的信息。

美方一直想用航天器探測隕石撞擊月球背面揚起月塵的狀態(tài)，鵲橋中繼衛(wèi)星為實現(xiàn)這一愿望提供了極大的技術支持，所以美方希望抓住這個機會。嫦娥四號軟著陸月背時的情景我們拍下來了，其揚塵我們也測定了，但是美方從另外的角度進行了測量，且將測量結(jié)果分享給了中方。

在這次探月計劃實施的過程中，很多國家提出了合作請求，為了更好地完成探月使命，嫦娥四號還攜帶了五六種與其他國家合作的載荷?？傊?，在鵲橋中繼衛(wèi)星的配合下，身懷絕技的嫦娥四號還會給我們帶來更多的驚喜，為世界航天科技發(fā)展做出更多的貢獻。