古時(shí)，鵲橋架在銀河之上，連結(jié)起牛郎與織女的良緣；今日，鵲橋懸在太空之中，溝通地球與月背于無(wú)形。

探索月亮，是中國(guó)人從古至今充滿浪漫與詩(shī)意的向往，也是中國(guó)航天人邁出深空探測(cè)的第一步。無(wú)人月球探測(cè)作為中國(guó)探月工程第一階段，按照“繞”“落”“回”三步走計(jì)劃，完成了環(huán)繞月球探測(cè)、月面軟著陸、月面自動(dòng)巡視勘察和無(wú)人采樣返回等多個(gè)任務(wù)，為后續(xù)工程積累了豐富寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也創(chuàng)造了多個(gè)人類首次的壯舉。本文聚焦“鵲橋”這顆發(fā)揮了重大作用的衛(wèi)星，了解它的“月后”工作。

一顆小小衛(wèi)星如何在浩瀚宇宙架起溝通之橋？

作為世界首顆地球軌道外的專用中繼通信衛(wèi)星，“鵲橋”在地球長(zhǎng)期可見(jiàn)的特定軌道上運(yùn)行，作為信號(hào)中轉(zhuǎn)站實(shí)現(xiàn)“隔月”對(duì)話，搭建起“地月星”朋友圈。它搭載的一口傘狀天線展開(kāi)后直徑達(dá)4.2 米，在發(fā)射時(shí)是人類深空探測(cè)史上由探測(cè)器攜帶的最大口徑通信天線，與地面通信帶寬達(dá)2M，與“嫦娥四號(hào)”間的帶寬也有100k 以上。不僅如此，它還攜帶了低頻射電探測(cè)儀、激光角反射鏡等科研載荷和兩顆微小衛(wèi)星，可在軌開(kāi)展地面上難以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)探測(cè)和新技術(shù)試驗(yàn)，為更多科研項(xiàng)目探測(cè)數(shù)據(jù)、奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

在中國(guó)科學(xué)技術(shù)館主展廳四層“問(wèn)鼎太空征途”展區(qū)，有一件名為“鵲橋中繼衛(wèi)星”的展品，形象展示了“地月星”的位置關(guān)系，并通過(guò)激光將看不見(jiàn)摸不著的通信信號(hào)進(jìn)行可視化演示，模擬了三方之間傳遞信息的過(guò)程，下面就請(qǐng)隨我們一起仔細(xì)觀察吧！

這件展品由展臺(tái)和演示裝置兩部分組成，演示裝置位于展臺(tái)上方中央，可根據(jù)搖桿左右撥動(dòng)的方向，以激光模擬“鵲橋”工作時(shí)地月通信覆蓋范圍的變化。當(dāng)“鵲橋”不工作時(shí)，只有地球與月球面向地球的一側(cè)間可呈現(xiàn)激光光線，在此基礎(chǔ)上開(kāi)啟“鵲橋”中繼衛(wèi)星后，則能在地球與衛(wèi)星中間、衛(wèi)星與月球背面間都看到激光光線，由此我們就“看到”了無(wú)形信號(hào)在“地月星”之間的傳輸路線。除了互動(dòng)體驗(yàn)區(qū)，展臺(tái)上還設(shè)置有多媒體展示區(qū)，拿起聽(tīng)筒，點(diǎn)擊屏幕觀看視頻，就可以了解到有關(guān)“鵲橋”的更多信息。

通過(guò)觀察不難發(fā)現(xiàn)，與“嫦娥四號(hào)”相比，“鵲橋”與地球之間的距離更加遙遠(yuǎn)。“鵲橋”隨著月球的運(yùn)動(dòng)方向，在一個(gè)直徑大于月球直徑的類圓形軌道上繞圈，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終與地球保持一定的距離。就像我們?cè)谡甄R子時(shí)看不到自己的后腦勺，眼睛和面前鏡子間像有一條無(wú)形的視線牽連，轉(zhuǎn)過(guò)頭時(shí)視線就中斷了。這時(shí)我們可以在腦袋后面稍側(cè)一點(diǎn)的地方再放置一面鏡子，即使在一定范圍內(nèi)移動(dòng)鏡子的位置，只要調(diào)整到合適角度，后腦勺的畫面都可以通過(guò)鏡子反射呈現(xiàn)在我們面前的鏡子上，被我們看到?！谤o橋”就像我們身后的那面鏡子一樣，在特定運(yùn)行軌道上連通地球與月球背面。這樣一來(lái)，從地球的角度看過(guò)去，可以一直在月球周圍找到“鵲橋”的身影，不會(huì)受到月球的遮擋；從“嫦娥四號(hào)”的角度看過(guò)去，“ 鵲橋”永遠(yuǎn)懸在上方，從未離開(kāi)自己的視線。

“鵲橋”為何在此時(shí)此地架起？

2019 年1 月3 日，“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)器緩緩著陸于沉寂已久的月球背面，實(shí)現(xiàn)了人類首次在月球背面進(jìn)行軟著陸和巡視勘察。在此之前，“鵲橋”中繼衛(wèi)星已于2018年5 月21 日搭乘“長(zhǎng)征四號(hào)丙”運(yùn)載火箭順利升空并進(jìn)入預(yù)定軌道，6 月14 日成功進(jìn)入距離月球約6.5萬(wàn)千米的地月拉格朗日L2 點(diǎn)附近的Halo 軌道，正式“入職”太空，為迎接“嫦娥四號(hào)”的到來(lái)做好充足準(zhǔn)備，默默守護(hù)“著巡組合體”安全抵達(dá)月面。

由于月球繞自身的軸旋轉(zhuǎn)一圈和繞著地球公轉(zhuǎn)一圈花費(fèi)的時(shí)間相同，因此月球永遠(yuǎn)以同一面朝向地球，也就是說(shuō)無(wú)論何時(shí)我們看到的月亮都只是月球的一面，一般稱之為正面，如果查看我們?cè)谕坏攸c(diǎn)任何時(shí)間拍攝的月亮照片就會(huì)發(fā)現(xiàn)里面的月亮都長(zhǎng)得一樣。這種天體永遠(yuǎn)以同一面對(duì)著另一個(gè)天體的現(xiàn)象被稱為“潮汐鎖定”。就像鏈球運(yùn)動(dòng)員拽住鎖鏈帶動(dòng)鏈球旋轉(zhuǎn)時(shí)，鏈球只有連接鎖鏈的一面朝向運(yùn)動(dòng)員，而沒(méi)有鎖鏈的一面永遠(yuǎn)不會(huì)被運(yùn)動(dòng)員看到。月球就像被一根無(wú)形的鎖鏈拽住，有規(guī)律地繞著地球不停運(yùn)動(dòng)，只會(huì)向我們展露自己一半的樣子，另一面則神秘地藏在它身后。由于技術(shù)所限，以往發(fā)射的月球探測(cè)器都是在月球朝向地球的一面降落，可以受到地面無(wú)障礙的保護(hù)，能實(shí)時(shí)與地面進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，而不用借助其他小伙伴的幫助。

“嫦娥四號(hào)”有所不同，它首次突破性地選擇了月背作為著陸地點(diǎn)，準(zhǔn)備去探尋那片未被登陸過(guò)的寂靜之地。但是那里與地球之間橫亙著整個(gè)月球，不僅相互之間見(jiàn)不到面，“聽(tīng)”不到來(lái)自地面的呼喚，甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)也無(wú)法向地面發(fā)出求救信號(hào)。怎么能保證自身的安全運(yùn)行，并且及時(shí)將科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地面呢？“鵲橋”中繼衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。

經(jīng)過(guò)我國(guó)科學(xué)家和工程師們的反復(fù)測(cè)算，終于尋得適合“鵲橋”運(yùn)行的位于地月拉格朗日L2 點(diǎn)附近的Halo 軌道，又稱“暈軌道”。這個(gè)軌道并不是規(guī)則的圓形，也不處于一個(gè)平面，其形狀是非共面的三維非規(guī)則曲線。為什么要找一條這樣的軌道呢？原來(lái)在地球、月球和航天器三者構(gòu)成的系統(tǒng)中，當(dāng)航天器位于一些特殊點(diǎn)位時(shí)，就可以在兩個(gè)天體的拉扯中處于平衡狀態(tài)，從而保持相對(duì)靜止。在此條件下，航天器不僅可以節(jié)省維持自身運(yùn)行的燃料，延長(zhǎng)駐留時(shí)間，還可以接收到充足的陽(yáng)光為自己供能。

“鵲橋”的順利運(yùn)行有何長(zhǎng)遠(yuǎn)意義？

隨著深空探索的發(fā)展，確保遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠性成為最重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一，這也是世界各國(guó)都在攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)。“鵲橋”在太空中穿梭過(guò)-200℃的陰影區(qū)，抵達(dá)距離地面40 萬(wàn)千米的軌道，搭建起月球表面與地面之間溝通的唯一橋梁，具有重大的科學(xué)與工程意義。它搭載的探測(cè)載荷也順利完成了多個(gè)歷史性試驗(yàn)，為我們探索未知宇宙提供了更多寶貴數(shù)據(jù)。2023 年6 月，我國(guó)同意美國(guó)國(guó)家航空航天局和其他國(guó)家航空航天機(jī)構(gòu)使用“鵲橋”進(jìn)行通信的請(qǐng)求，將助其完成今后的月球探索任務(wù)。我國(guó)還計(jì)劃于2024 年發(fā)射“鵲橋二號(hào)”中繼衛(wèi)星，在更多領(lǐng)域提供更加豐富的服務(wù)。

相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，看不見(jiàn)的月背，望不穿的深空，都將劃過(guò)滿載人類好奇、智慧與勇氣的星。