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5月21日5點(diǎn)28分，在我國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司抓總研制的嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”搭乘長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭升空。衛(wèi)星由火箭送入近地點(diǎn)約200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)約40萬(wàn)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(guò)45億年。它對(duì)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(shuō)，離開(kāi)了月球，地球根本不會(huì)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(jià)：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(dòng)效應(yīng)下（月球軌道是橢圓，在軌道不同點(diǎn)的公轉(zhuǎn)速度不同，月球自轉(zhuǎn)也相對(duì)地球軌道面有一定傾角）看到月球“背面”一小部分（積累下來(lái)的極限是18%）。但總體來(lái)看，人類是無(wú)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(lái)源于NASA）

即便到了載人航天時(shí)代，由于月球整體的阻攔，背面成了地面通信的禁區(qū)。在過(guò)去的60年內(nèi)，人類已經(jīng)發(fā)射了超過(guò)百個(gè)月球探測(cè)器，其中有65個(gè)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(guò)月球背面，沒(méi)有任何一個(gè)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(shí)際上背面也能被太陽(yáng)照到，只是人類看不到而已）。

為實(shí)現(xiàn)月球背面的探測(cè)、登陸與研究，就必須把信號(hào)傳遞到那里?，F(xiàn)在這個(gè)方案就是中國(guó)嫦娥四號(hào)登陸信號(hào)中繼星，人類歷史上首個(gè)，妥妥的。

2. 信號(hào)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(yùn)行時(shí)，90分鐘左右就能繞地球一周，如果到地球背面時(shí)，該怎么聯(lián)系？

主要有三種方案：

1.全球布網(wǎng)測(cè)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(wú)法建站因素，顯然很難；

2. 建立移動(dòng)測(cè)控站，比如我國(guó)前后7艘遠(yuǎn)望號(hào)測(cè)量船中的2艘左右會(huì)在火箭發(fā)射時(shí)駛?cè)氪笱?，但顯然每次都航行到地球另一側(cè)不現(xiàn)實(shí)；

3. 在太空中建立信號(hào)中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，它們運(yùn)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(hào)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(shuō)：“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。擁有這個(gè)技術(shù)的國(guó)家/地區(qū)有美國(guó)、俄羅斯、歐洲、中國(guó)、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(guó)和中國(guó)能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋。

舉個(gè)典型的例子，2003年，中國(guó)航天第一人楊利偉進(jìn)入太空，彼時(shí)他只能在飛到中國(guó)附近衛(wèi)星測(cè)控站時(shí)才能與地球聯(lián)系。無(wú)論是跟國(guó)防部長(zhǎng)通話還是跟家人問(wèn)候，一次大概5分鐘就必須草草結(jié)束。

王亞平授課是通過(guò)天鏈一號(hào)系統(tǒng)（圖片改編自中新網(wǎng)）

而到了2013年神舟十號(hào)，王亞平就已經(jīng)能在太空中實(shí)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(hào)，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(guó)覆蓋全球的四顆信號(hào)中繼衛(wèi)星，天鏈一號(hào)。

3. 為了嫦娥四號(hào)，咱也送一顆中繼衛(wèi)星去月球？

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

嫦娥四號(hào)將在年底成為人類歷史上第一個(gè)踏足月球背面的探測(cè)器。既然月球擋住了背面，為了給嫦娥四號(hào)和玉兔號(hào)月球車實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，它的信號(hào)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(gè)月球信號(hào)中繼衛(wèi)星。

嫦娥四號(hào)信號(hào)中繼衛(wèi)星帶有一個(gè)口徑4.2米的傘面天線 （圖片來(lái)源于吳偉仁等，詳見(jiàn)注1）

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

不過(guò)不同于大型的天鏈系列衛(wèi)星，鵲橋使用的是我國(guó)空間技術(shù)研究院CAST100衛(wèi)星平臺(tái)，這是一個(gè)微小衛(wèi)星通用平臺(tái)，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(shí)保證對(duì)地月通訊的穩(wěn)定，鵲橋必須定位在一個(gè)叫做地月拉格朗日二點(diǎn)的位置附近，選擇一條獨(dú)特的Halo軌道。在此前2014年的嫦娥五號(hào)T1測(cè)試飛行器已經(jīng)驗(yàn)證了相關(guān)軌道轉(zhuǎn)移和控制技術(shù)。

拉格朗日點(diǎn)又叫做平動(dòng)點(diǎn)，對(duì)于兩個(gè)天體而言，它們的綜合引力影響在這些點(diǎn)（共計(jì)5個(gè)）達(dá)到平衡，那么航天器處在這個(gè)位置附近的Halo軌道時(shí)將會(huì)相對(duì)兩個(gè)天體幾乎靜止。拉格朗日二點(diǎn)就是引力平衡、在較小天體外側(cè)的點(diǎn)，在月球背后。因此，選擇這個(gè)點(diǎn)有三個(gè)重大優(yōu)勢(shì)：

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

b. 兩個(gè)天體引力平衡，衛(wèi)星所需要的軌道維持燃料極少；

c. 沒(méi)有天體遮擋，一直暴露在日照之下，太陽(yáng)能豐富。

中繼星與地球、月球的軌道關(guān)系 （圖片來(lái)源于吳偉仁等，詳見(jiàn)注1）

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

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