文/趙聰 攝 / 李明

▲ 衛(wèi)星吊塔對(duì)接

緣起

“鵲橋”升空了。

5月21日5時(shí)28分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，人類(lèi)首個(gè)以月球背面為目標(biāo)的探測(cè)任務(wù)——嫦娥四號(hào)探月工程，就在此刻邁出了第一步。

人類(lèi)對(duì)月球渴望已久。千百年來(lái)，這個(gè)人們熟悉又陌生的、“陰晴圓缺”的球體帶給人們無(wú)盡想象，甚至寄托著人們的“悲歡離合”。人們嘗試通過(guò)肉眼或者機(jī)械鏡頭接近它，雖然美國(guó)已經(jīng)成功踏上了它的領(lǐng)地，但“月之暗面”的謎題從未有人揭曉。

由于月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一致，它只能永遠(yuǎn)以同一面朝向地球。

雖然難以看到，月球背面的科學(xué)探測(cè)意義卻很重大。中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄭永春介紹，那里避開(kāi)了來(lái)自地球的大量電磁干擾，處于一種電磁波“寧?kù)o區(qū)”，在這樣的潔凈環(huán)境中，探測(cè)器可以接收到更多微弱信號(hào)，例如宇宙形成早期發(fā)出的短波。

另外，人類(lèi)通過(guò)多次環(huán)月探測(cè)發(fā)現(xiàn)，月球背面分布著大大小小的天體撞擊坑，這片神秘區(qū)域到底經(jīng)歷過(guò)怎樣的天體活動(dòng)？科學(xué)家分析，這些撞擊坑有的在幾十萬(wàn)年前生成，能否通過(guò)它們找到宇宙起源的蛛絲馬跡？

中國(guó)開(kāi)始將深空探測(cè)目標(biāo)鎖定在月球背面。2015年11月30日，探月工程重大專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組批準(zhǔn)嫦娥四號(hào)任務(wù)組織實(shí)施，這標(biāo)志著月球背面登陸探測(cè)正式開(kāi)始。

第一個(gè)難題迎面而來(lái)：月球始終以同一面朝向地球，這就意味著，若探測(cè)器在月球背面登陸，它與地球不僅相隔遙遠(yuǎn)的地月距離，還要受龐大月球球體的阻隔，如何與地球保持通信聯(lián)絡(luò)？

“搭橋”是較為完美的解決方案。發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星，將其當(dāng)做中轉(zhuǎn)站，用來(lái)接受和轉(zhuǎn)發(fā)地球和月球上發(fā)出的信號(hào)，相當(dāng)于給地球和月球搭起一座通信橋梁?！捌鋵?shí)就好比把地面站搬到天上?！辨隙鹚奶?hào)中繼星總指揮兼總師張立華做了個(gè)類(lèi)比。

通過(guò)發(fā)射中繼衛(wèi)星為航天器和地球搭建天地通信鏈路，是一種較為常見(jiàn)的做法。中國(guó)的中繼衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，10年前，第一顆中繼衛(wèi)星上天，10年間，相繼發(fā)射的4顆“天鏈一號(hào)”衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)中、低軌航天器全球100%覆蓋。

但與“天鏈一號(hào)”相比，嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星有點(diǎn)不一樣。首先，最大的不同是“天鏈一號(hào)”對(duì)數(shù)據(jù)采取透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，即不對(duì)數(shù)據(jù)做處理，保持“原汁原味”；嫦娥四號(hào)中繼星則屬于“再生轉(zhuǎn)發(fā)”，即先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“解碼”“去格式”“復(fù)接”“編碼”等處理，再發(fā)送。

▲ 嫦娥四號(hào)“鵲橋”之旅 制圖 丁潔

其次，“天鏈一號(hào)”具有廣泛的通用性，嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星則更像是為執(zhí)行月球背面探測(cè)任務(wù)而專(zhuān)屬定制。“嫦娥四號(hào)是嫦娥三號(hào)的備份衛(wèi)星，主要設(shè)備已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)，所以需要專(zhuān)門(mén)研制一顆中繼星，去跟它的接口進(jìn)行匹配?！睆埩⑷A解釋。

中繼衛(wèi)星的抓總研制任務(wù)被交到了中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司五院所屬航天東方紅衛(wèi)星有限公司手中。2018年4月24日，第三個(gè)“中國(guó)航天日”期間，中繼衛(wèi)星被正式命名為“鵲橋”。

“鵲橋”不大，整個(gè)重量才約448千克，衛(wèi)星本體橫向尺寸1.4米×1.4米，高度才850毫米，加上天線(xiàn)是3米多。

就像一個(gè)中型保險(xiǎn)柜，存放著人類(lèi)首次探索月球背部的夢(mèng)想。

Hello，月球

“鵲橋”向月球奔去。

5時(shí)54分，中繼衛(wèi)星與火箭分離，護(hù)送者完成使命離去，它要靠著自己的本事，走完剩余的奔月之路。

在嫦娥四號(hào)中繼星任務(wù)說(shuō)明上是這樣描述飛行計(jì)劃的：星箭分離后，經(jīng)過(guò)約4～5天的飛行，其間經(jīng)過(guò)2～3次中途修正，“鵲橋”將到達(dá)距離月面高度約100公里的近月點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近月制動(dòng)后，在約21天時(shí)間內(nèi)，“鵲橋”將進(jìn)行2次中途修正和3次捕獲控制，最終進(jìn)入繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道。

為何最終到達(dá)這里？

首先要明白何為“地月L2點(diǎn)”。地月拉格朗日2點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)地月L2點(diǎn)，距離地球40多萬(wàn)公里，是5個(gè)地月拉格朗日點(diǎn)之一。根據(jù)天體物理學(xué)中的限制性三體問(wèn)題，地球和月球兩大天體在太空中運(yùn)動(dòng)，其萬(wàn)有引力與離心力在這5個(gè)點(diǎn)處得以平衡。倘若這5個(gè)點(diǎn)處存在第三個(gè)天體，且這個(gè)天體的質(zhì)量相對(duì)于地球和月球無(wú)限小——譬如中繼星，那么它就可以和地月保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。

顯然，中繼星正是看中了地月朗格朗日點(diǎn)的穩(wěn)定性?！爸欣^星架在這些點(diǎn)處，受地月引力作用可以保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，從而節(jié)省衛(wèi)星燃料?！辨隙鹚奶?hào)中繼星主任設(shè)計(jì)師孫驥說(shuō)。

▲ 對(duì)衛(wèi)星的太陽(yáng)翼進(jìn)行光照試驗(yàn)

既然5個(gè)點(diǎn)都可以保持穩(wěn)定，為何偏偏選擇了L2點(diǎn)？

這是因?yàn)榈卦翷2點(diǎn)位于地球、月球兩個(gè)大天體的連線(xiàn)上，且在較小的天體即月球一側(cè)，即正好面向月球背面?！版隙鹚奶?hào)要在月球背面靠近南極的艾特肯盆地執(zhí)行任務(wù)，想要對(duì)此處和地球同時(shí)可見(jiàn)，只能選擇L2點(diǎn)?！睂O驥解釋。

中繼星選擇了地月L2點(diǎn)，但并不是在此處保持靜止?fàn)顟B(tài)，而是圍繞該點(diǎn)做擬周期運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌道是Halo軌道。

孫驥進(jìn)一步解釋?zhuān)琇2點(diǎn)位于地月連線(xiàn)上的月背一側(cè)，若衛(wèi)星在此處，受月球遮擋根本不可能“看見(jiàn)”地球，所以設(shè)計(jì)師為其設(shè)計(jì)了Z向振幅約1.3萬(wàn)公里繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道?！谤o橋”架設(shè)在這一軌道上，既能“看見(jiàn)”地球，又能“看見(jiàn)”月球，既可以同時(shí)與地球和月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換，又因?yàn)槭艿卦乱ψ饔枚３窒鄬?duì)穩(wěn)定狀態(tài)，從而節(jié)省了衛(wèi)星燃料。

繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道，無(wú)疑是嫦娥四號(hào)中繼星的理想處所。

軌道雖然很理想，但“鵲橋”選擇這里卻不是貿(mào)然行動(dòng)，而是站在“前人肩膀上”的理性選擇。

早在2011年，我國(guó)嫦娥二號(hào)完成探月任務(wù)后，離開(kāi)月球軌道飛向日地L2點(diǎn)，這是人類(lèi)首次實(shí)現(xiàn)從月球軌道出發(fā)到日地L2點(diǎn)，也是中國(guó)首次實(shí)地探訪(fǎng)拉格朗日點(diǎn)。

▲ 衛(wèi)星天線(xiàn)的“靚照”

3年之后，中國(guó)再次向另一個(gè)L2點(diǎn)——地月L2點(diǎn)進(jìn)發(fā)。2014年，探月工程三期月地高速再入返回飛行器完成返回任務(wù)后，留軌的服務(wù)艙前往地月L2點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，這是我國(guó)飛行器首次飛抵這里并完成科研任務(wù)，也是世界上第二個(gè)到達(dá)地月L2軌道的航天器。此前，僅有美國(guó)的Artemis任務(wù)短暫造訪(fǎng)過(guò)這片神奇的空域。

有了前人“栽樹(shù)”，“鵲橋”的運(yùn)行軌道才最終被確定為繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道。

Halo軌道的概念由美國(guó)人Farquhar在1967年提出，根據(jù)Farquhar的構(gòu)想，如果在這一軌道上放置一顆中繼通信衛(wèi)星，可以為月球背面著陸的探測(cè)器提供通信中繼服務(wù)?；谶@一構(gòu)想，美國(guó)宇航局曾計(jì)劃在阿波羅17號(hào)任務(wù)中進(jìn)行實(shí)施，但最終由于風(fēng)險(xiǎn)較大、技術(shù)復(fù)雜等原因而放棄。

▲ 工作人員在給衛(wèi)星做測(cè)試

如今，“鵲橋”勇敢地選擇了這個(gè)軌道。若進(jìn)展順利，“鵲橋”將是世界上第一顆成功在地月L2點(diǎn)上采用Halo軌道的衛(wèi)星，意味著我國(guó)率先掌握了地月中繼通信技術(shù)。

架橋

6時(shí)20分，傘狀天線(xiàn)緩緩展開(kāi)。這個(gè)展開(kāi)后口徑達(dá)4.2米的大型天線(xiàn)，將首次為人類(lèi)傳送來(lái)自月球背面的信號(hào)。它有一個(gè)頭銜：人類(lèi)深空探測(cè)任務(wù)史上最大口徑的通信天線(xiàn)。

“鵲橋”能否被架設(shè)成“高速路橋”，關(guān)鍵靠它。

通常在深空探測(cè)任務(wù)中，建立遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的可靠鏈路最為困難，這也是世界各國(guó)都在致力解決的深空探測(cè)關(guān)鍵核心技術(shù)，而要確保通信鏈路的可靠性，天線(xiàn)是關(guān)鍵。

“這顆衛(wèi)星離地球和月球都比較遠(yuǎn)，要滿(mǎn)足通信要求，天線(xiàn)口徑得盡可能做大?！睆埩⑷A說(shuō)。

此外，天線(xiàn)與其他中繼鏈路設(shè)備不同。后者可以做一些冗余，但天線(xiàn)只有一個(gè)，是整星的單點(diǎn)環(huán)節(jié)，一旦出問(wèn)題，對(duì)整個(gè)任務(wù)而言是災(zāi)難性的。

惡劣的太空環(huán)境對(duì)天線(xiàn)帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。在軌運(yùn)行期間，“鵲橋”會(huì)經(jīng)過(guò)一段沒(méi)有光照的陰影區(qū)，最長(zhǎng)可達(dá)4個(gè)多小時(shí)，陰影區(qū)溫度平均-200℃左右，在陰影區(qū)，天線(xiàn)最冷的部件溫度將達(dá)到-230℃，為了順利通過(guò)如此嚴(yán)寒的考驗(yàn)，五院的設(shè)計(jì)師們做了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，有效保障了傘狀天線(xiàn)能夠克服嚴(yán)酷環(huán)境，可靠工作。

“架橋”要趁早。

按照計(jì)劃，嫦娥四號(hào)任務(wù)分兩步進(jìn)行：先發(fā)射中繼星，再發(fā)射著陸器和巡視器組合體。“鵲橋”提前半年出發(fā)，要做好前期“功課”：盡快完成在軌測(cè)試，調(diào)整進(jìn)入備戰(zhàn)狀態(tài)，以便迎接年底嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器的到來(lái)。

除了搭建通信橋梁，“鵲橋”還嘗試為空間科學(xué)試驗(yàn)“牽線(xiàn)”。

激光測(cè)距試驗(yàn)是其一。目前，人類(lèi)歷史上最遠(yuǎn)距離的激光測(cè)距試驗(yàn)是依據(jù)1969年阿波羅11號(hào)在月球上放置的一套激光測(cè)距反射鏡陣列進(jìn)行。如今，在距離地球約40多萬(wàn)公里的地月L2點(diǎn)附近，“鵲橋”將嘗試把遠(yuǎn)距離激光測(cè)距的記錄再度延伸。

“鵲橋”上還搭載了浙江大學(xué)研制的兩臺(tái)相機(jī)，用來(lái)拍攝天線(xiàn)展開(kāi)的過(guò)程，若幸運(yùn)，人們還會(huì)看到其拍攝的地月彩色合影。中繼星還搭載了中荷（荷蘭）合作研制的低頻射電探測(cè)儀。

世界范圍內(nèi)，人類(lèi)探索月球的活動(dòng)大致可分為“探”“登”“駐(住)”三個(gè)階段。根據(jù)中國(guó)探月工程總體規(guī)劃，2020年前，中國(guó)月球探測(cè)工程以無(wú)人探測(cè)為主，屬人類(lèi)探月三階段中的“探”。

瞄向“月之暗面”的“鵲橋”是人類(lèi)探索月球邁出的堅(jiān)實(shí)一步，也是創(chuàng)新性一步。

如今，“鵲橋”即將架設(shè)，不久，月球背面將第一次聽(tīng)到來(lái)自地球“鄰居”的扣門(mén)聲。