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5月21日5點28分，在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，由中國航天科技集團(tuán)有限公司抓總研制的嫦娥四號中繼星“鵲橋”搭乘長征四號丙運載火箭升空。衛(wèi)星由火箭送入近地點約200公里、遠(yuǎn)地點約40萬公里的地月轉(zhuǎn)移軌道。

拍攝：我們的太空 呂炳宏

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，陪伴地球已經(jīng)超過45億年。它對地球地軸指向、自轉(zhuǎn)穩(wěn)定、周期潮汐、夜晚照明等有著巨大意義。可以說，離開了月球，地球根本不會是今天這種光景。

1.人類永遠(yuǎn)只能看到月球的“一面”

由于地球強(qiáng)大引力的影響，月球也付出了很大代價：地球?qū)⑺淖赞D(zhuǎn)周期減慢為與圍繞地球公轉(zhuǎn)周期完全一樣，也就是潮汐鎖定。

在這種效應(yīng)下，身處地球的人類基本永遠(yuǎn)只看到月球的“正面”，只能在月球的天秤動效應(yīng)下（月球軌道是橢圓，在軌道不同點的公轉(zhuǎn)速度不同，月球自轉(zhuǎn)也相對地球軌道面有一定傾角）看到月球“背面”一小部分（積累下來的極限是18%）。但總體來看，人類是無法看全月球背面的。

人類在地球上永遠(yuǎn)只能看到的月球正面（左）和看不全的背面（右）（圖片來源于NASA）

即便到了載人航天時代，由于月球整體的阻攔，背面成了地面通信的禁區(qū)。在過去的60年內(nèi)，人類已經(jīng)發(fā)射了超過百個月球探測器，其中有65個月球著陸器，但僅有非載人的環(huán)繞月球軌道器和載人的阿波羅8/10/11/12/13/14/15/16/17看到過月球背面，沒有任何一個能夠?qū)崿F(xiàn)月球背面的著陸。

也正因如此，人類關(guān)于月球背面的陰謀論和謠言甚囂塵上，外星人基地、納粹殘余、月球人家園，這些甚至廣泛出現(xiàn)在各種科幻作品中，各種演繹充滿想象力。月球背面甚至得名“月之暗面”（盡管實際上背面也能被太陽照到，只是人類看不到而已）。

為實現(xiàn)月球背面的探測、登陸與研究，就必須把信號傳遞到那里。現(xiàn)在這個方案就是中國嫦娥四號登陸信號中繼星，人類歷史上首個，妥妥的。

2. 信號中繼衛(wèi)星，是什么？

相信大家也可以想到：載人飛船環(huán)繞地球運行時，90分鐘左右就能繞地球一周，如果到地球背面時，該怎么聯(lián)系？

主要有三種方案：

1.全球布網(wǎng)測控站，但需要世界范圍內(nèi)都買單的強(qiáng)大政治影響力，還有海洋無法建站因素，顯然很難；

2. 建立移動測控站，比如我國前后7艘遠(yuǎn)望號測量船中的2艘左右會在火箭發(fā)射時駛?cè)氪笱?，但顯然每次都航行到地球另一側(cè)不現(xiàn)實；

3. 在太空中建立信號中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，它們運轉(zhuǎn)在距離地面35786千米高的軌道，與地球自轉(zhuǎn)同步，只要3-4顆足夠覆蓋全球，它們就是“天眼”，但技術(shù)難度顯然最高。

第三種提到的就是信號中繼衛(wèi)星，它們的功能就是接收、加工、轉(zhuǎn)發(fā)其他衛(wèi)星的信息，換句話說：“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。擁有這個技術(shù)的國家/地區(qū)有美國、俄羅斯、歐洲、中國、日本，但目前處在完整工作狀態(tài)下的中繼衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中，僅有美國和中國能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋。

舉個典型的例子，2003年，中國航天第一人楊利偉進(jìn)入太空，彼時他只能在飛到中國附近衛(wèi)星測控站時才能與地球聯(lián)系。無論是跟國防部長通話還是跟家人問候，一次大概5分鐘就必須草草結(jié)束。

王亞平授課是通過天鏈一號系統(tǒng)（圖片改編自中新網(wǎng)）

而到了2013年神舟十號，王亞平就已經(jīng)能在太空中實現(xiàn)51分鐘的太空授課，期間飛船繞了地球大半圈。到了神舟十一號，景海鵬和陳冬已經(jīng)能看地面電視直播了。

他們依賴的就是我國覆蓋全球的四顆信號中繼衛(wèi)星，天鏈一號。

3. 為了嫦娥四號，咱也送一顆中繼衛(wèi)星去月球？

為探測月球背面發(fā)射信號中繼星，在1960年代NASA準(zhǔn)備阿波羅登月項目時就有提出，直到任務(wù)結(jié)束也沒有被立項?，F(xiàn)在最多的應(yīng)用是在眾多火星軌道器上，它們既探測火星，又為地面上的火星車和著陸器中繼信號。

嫦娥四號將在年底成為人類歷史上第一個踏足月球背面的探測器。既然月球擋住了背面，為了給嫦娥四號和玉兔號月球車實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，它的信號中繼衛(wèi)星需要提前出發(fā)準(zhǔn)備，這自然也是人類歷史上首個月球信號中繼衛(wèi)星。

嫦娥四號信號中繼衛(wèi)星帶有一個口徑4.2米的傘面天線 （圖片來源于吳偉仁等，詳見注1）

在2018年4月24日中國航天日，這個中繼衛(wèi)星被命名為“鵲橋”，想必這個名字的典故和來歷，不需要補(bǔ)充了。

不過不同于大型的天鏈系列衛(wèi)星，鵲橋使用的是我國空間技術(shù)研究院CAST100衛(wèi)星平臺，這是一個微小衛(wèi)星通用平臺，因而鵲橋也的確“身輕如鵲”，只有包含燃料也僅有幾百千克。

為了穩(wěn)定在遙遠(yuǎn)的深空同時保證對地月通訊的穩(wěn)定，鵲橋必須定位在一個叫做地月拉格朗日二點的位置附近，選擇一條獨特的Halo軌道。在此前2014年的嫦娥五號T1測試飛行器已經(jīng)驗證了相關(guān)軌道轉(zhuǎn)移和控制技術(shù)。

拉格朗日點又叫做平動點，對于兩個天體而言，它們的綜合引力影響在這些點（共計5個）達(dá)到平衡，那么航天器處在這個位置附近的Halo軌道時將會相對兩個天體幾乎靜止。拉格朗日二點就是引力平衡、在較小天體外側(cè)的點，在月球背后。因此，選擇這個點有三個重大優(yōu)勢：

a. 隨著這兩個天體一同運動并與二者處在幾何關(guān)系幾乎不變的狀態(tài)；

b. 兩個天體引力平衡，衛(wèi)星所需要的軌道維持燃料極少；

c. 沒有天體遮擋，一直暴露在日照之下，太陽能豐富。

中繼星與地球、月球的軌道關(guān)系 （圖片來源于吳偉仁等，詳見注1）

因此，對于設(shè)計壽命5年的信號中繼星而言，它能夠輕易穩(wěn)定在這個軌道數(shù)十年，足夠中國、乃至葉培建院士提出的也可以幫助其他國家類似月球背面任務(wù)使用。

在2018年底，嫦娥四號抵達(dá)月球背面時，這個鵲橋“天眼”將會執(zhí)行任務(wù)的指令發(fā)送、信號中繼、數(shù)據(jù)下載等功能，成為鏈接地球與月球的“鵲橋”。