本系列的第五篇终于来了！ 不知是否有人还记得，上篇结束之后给各位留了个悬念，说这次主角可不一定轮到嫦娥四号。那这回的“神秘”主角究竟是谁呢？ 话是这么说，其实这回的主角跟嫦娥四号还是有非常紧密的联系的，所以咱们还是得先提一下它，后面才是这个“神秘嘉宾”的主场，这里就先不接小了。 OK,废话就到此，先让嫦娥姐姐到牛郎织女那边借点东西，咱们马上开始！ 第五篇 搭桥行动 自从嫦娥三号成功在月球正面虹湾地区着陆，嫦娥四号要降落在月球何处就引起了不少争论。经科学家们反复论证，让嫦娥四号降落月球背面的计划被提了出来。主要原因如下： 第一，与正面不同，月背地形更为崎岖，几乎全是环形山与古老的陨石坑。而嫦娥四号计划着陆的月背南极艾特肯盆地是太阳系第二大超级陨石坑，更接近月球最原始的情况。登录并开展月背巡视区地形地貌、浅层结构和矿物成分探测，可为研究月球矿物质结构和太阳系起源的研究提供更丰富的一手资料。 第二，由于月球自身的遮挡，其背面有天然的屏障，没有来自地球的一系列辐射干扰，对于开展各类天文观测而言是块难得的宝地。 第三，登录月球背面是极具想象力和巨大勇气的科研实践，可以催生并推动一系列高新技术快速发展，让我国诸多科技获得重大升级，对我国的科技创新与发展产生积极而又深远的影响。 而嫦娥四号的具体“落脚点”，科学家们经反复考量后选择了冯·卡门撞击坑。该撞击坑因纪念20世纪最伟大的航天工程学家之一冯·卡门而命名。而他的一位中国学生或许更为我们熟知，那就是我国的“航天之父”--钱学森。 为确保万无一失，科学家为嫦娥四号选择了主备两个着陆区。主着陆区位于冯·卡门撞击坑东南部，坡度平均值为2.51度，最大为48.97度。坑底直径约为140千米，撞击坑深度约5千米，中央峰高度约1.55千米。对了，这个中央峰在后面还会提到，这里先留个伏笔。 而备用着陆区位于主着陆区西侧，在克雷蒂安撞击坑内。坡度平均值为2.54度，最大为41.63度。坑底直径约125千米，撞击坑深度约1.8千米，这里就没有中央峰了。 在嫦娥四号的任务中，主着陆区是主用落区，在应急情况下则会使用备用着陆区，二者的距离为435千米。然而，这两个着陆区都只会经过一次，也就意味着嫦娥四号着陆这主备两个着陆区分别各有一次机会。当嫦娥四号准备实施动力下降前，飞行控制中心会根据遥测数据信息对探测器工况进行最终判断。如果出现了影响动力下降和着陆安全的故障，地面就需要紧急取消这次动力下降，控制探测器重新进入正常轨道运行状态，并立即进行故障处置，推迟一天重新进行动力下降并控制探测器着陆于备用着陆区。 计划有了，但在嫦娥姐姐带着“小兔子”出发之前，还需要先派出“先头部队”。 由于潮汐锁定效应，月球只能始终以同一面对着地球，也就是其正面。一旦嫦娥四号降落于月球背面，就会因月球自身的阻挡而导致地球上的测控站无法与其直接建立无线电通信联系，也无法对飞越或着陆月背的航天器进行测控。所以这个问题必须优先解决。 至于解决方案，那就是部署一颗中继星。而这颗中继星，被命名为“鹊桥”。虽然炸一听，这个名字出现在嫦娥姐姐这里似乎有点乱入，这难道不是牛郎跟织女相会的地方吗？但仔细一想，这个名字又挺形象的。中继星作为连接地球和月背的“通信基站”，如同一座桥梁，让月球背面的嫦娥四号与地球连接在一起。 另外这里先提前透露一点，虽然“鹊桥”先被嫦娥姐姐拿来用了，但是后面是真会出现与“鹊桥”更为相关的元素哦，所以牛郎和织女应该没什么意见吧。 接下来的问题，就是这座“鹊桥”该搭建在哪里呢？不知各位是否还记得嫦娥二号曾经造访过的日地拉格朗日L2点，而这次轨道专家们为“鹊桥”选择了地球与月球的拉格朗日L2点。也就是月球外侧，地球与月球的引力平衡点。由于平动点具有特殊的动力学特性和相对固定的几何位置，使其在中继通信、天文观测、星际转移等深空探测任务中具备良好的工程应用价值。 虽然选择了地月L2点，但并不代表“鹊桥”只要飞到地月L2点上就完事儿了。因为这个地月L2点本身也被月球给挡住了，并无法实现通信。所以真正要做的，是让鹊桥中继星在一个围绕L2点的轨道上进行长期飞行。 从天文学上讲，围绕地月L2点飞行的轨道有多个。在嫦娥四号任务中，科学家最终选择了Halo轨道。这是一个绕L2点飞行的周期轨道，从地球往月球方向看去近似一个椭圆形。由于这个轨道很大，且不与月球绕地球的轨道在同一平面，所以鹊桥在环绕时永远不会被月球本身挡住，能始终同时看到地球和月背，可以实现永不断联的中继通信。 说点题外话，我不得不吐槽一下这个轨道名字的发音。刚开始实在没能忍住，听一次笑一次，还得使劲忍住笑才能继续往下推进。天知道我是听了多少次才能忍住不笑得那么大声的。 好了，说回正题。下面需要考虑的，就是如何飞往Halo轨道。轨道专家们给出了3种方式： 第一种是直接转移轨道。与地月转移轨道类似，只是其远地点会更远，所以鹊桥出发时所需的能量比地月转移轨道大得多。而且当其到达地月L2点进行捕获控制时，需要的速度增量也更大。 第二种是低能转移轨道。虽然所需的速度增量小，但是近地点出发时需要的速度较大，并且转移时间较长，通常需要3到6个月。将来若是需要运送大量物资到月球，倒是可以采用。 第三种是月球引力辅助变轨转移轨道。当鹊桥飞行到近月点时，通过向月球借力来改变轨道，飞往地月L2点附近。在到达时，可以不经过变轨或只需要很小的速度增量就能让鹊桥进入环绕地月L2点的Halo轨道。通过综合的比对分析，这种方式在时间和节省能量上是最好的。又省时间又省燃料，OK,就它了！ 2018年5月21日5时28分，我国首颗月球中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。经过4天的飞行，鹊桥成功实施近月制动，顺利进入月球至地月L2点的转移轨道。 按照计划，鹊桥在进入地月转移轨道后，首先要通过3次轨道维持，不断修正其飞行轨道。由于前两次轨道维持控制已经非常精准，第三次被成功取消。鹊桥顺利沿着地月转移轨道到达近月点。飞行控制中心根据计划实施了一次近月制动，让鹊桥成功借助月球引力飞向了Halo轨道。这次控制同样非常精准，看来“老司机”的技术已经炉火纯青了，使得计划中后面两次中途修正也被顺利取消。 在至关重要的Halo轨道捕获控制阶段，轨道专家们为了提高捕获控制精度，进一步节约燃料从而延长中继星的寿命，自主研发了一套捕获控制优化软件，根据鹊桥的实际飞行情况反复优化计算模型，使得最终只用了3次捕获控制就实现了原计划5次的效果。6月14日，鹊桥成功进入环绕距月球约6.5万千米的地月L2点的Halo轨道，成为世界上首颗运行在地月L2点Halo轨道上的中继卫星。 鹊桥中继星要发挥出其数据传输信使的作用，必须具备两个条件。鹊桥的伞状大天线要准确指向地面测控站或嫦娥四号，还要成功建立与地球及嫦娥四号的通信链路。达成这两个条件，要保证地球、月球、鹊桥的位置以及天线指向都不能出现偏差，否则这个通信链路就无法建立起来。 鹊桥成功入轨后，专家们开始对天线指向进行反复在轨测试，这是个需要细心和耐心的技术活。经过连续4天、十余种工况的在轨指向测试，将指向偏差控制在0.1度左右。 鹊桥有一个展开后口径约4.2米的伞状抛物面天线。这是目前人类深空探测史上最大口径的卫星通信天线，为鹊桥与地球之间铺设了一座宏伟的桥梁。然而，它也带来了另一个问题--太阳光压。太阳光也是有推力的，虽然推力值很小，但随着时间的推移，这种微弱的压力也能逐渐将鹊桥推离其正常的运行方向。会直接影响鹊桥在Halo轨道上的控制精度。这样一来，卫星就不得不把宝贵的燃料更多地使用在跟太阳光压的“较劲”上，增加轨道维持次数，从而缩短鹊桥中继星的在轨寿命。 为了解决这个难题，轨道专家们凭借多年的经验，研究出新的维持轨道与调姿控制方法。通过定期的动量轮卸载，让轨道维持周期由原本的5到7天延长至最长18天。经过专家们这一波又一波的“神操作”，鹊桥成功被大幅“续命”，在轨寿命成功由设计时的3年提升至15年。 鹊桥终于准备就绪，在轨道上静待嫦娥四号这个“服务对象”的到来。 本篇的内容就到这里。下一次，嫦娥四号就要出发前往在这之前没有探测器亲临的月球背面了。对了，这回又带了一只可爱的小兔子哟。详细的情况，咱们就流贷下回分解吧。 本楼来自：智慧人生开发板