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鹊桥(嫦娥四号中继星)

鹊桥是嫦娥四号月球探测器的中继卫星,该中继星将运行在地月引力平衡点L2点的晕(halo)轨道上,为嫦娥四号的着陆器和月球车提供地月中继通信支持。于2018年5月21日发射升空。 [1]

2018年4月24日,嫦娥四号中继星命名为“鹊桥”。 [2-3] 5月21日5点28分,中国在西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功将嫦娥四号任务“鹊桥”号中继星发射升空。6月14日11 时 06 分,成功实施轨道捕获控制,进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道。 [4]

2018年4月24日上午,2018年“中国航天日”主场活动开幕式在黑龙江哈尔滨举行,活动主题为“共筑航天新时代”。开幕式现场,国家国防科技工业局副局长、党组成员,国家航天局副局长吴艳华宣布,嫦娥四号中继星命名为“鹊桥”。 [2]

嫦娥四号登月探测器是嫦娥三号的备份星,计划将登陆月球背对地球一面的南极附近的艾特肯盆地。由于月球自转周期与绕地球公转的周期相同,它只能永远以同一面朝向地球。这就意味着,在月球背面登陆的嫦娥四号与地球上的测控中心不仅相隔遥远的地月距离,而且还要隔着月球球体进行通信联系。但通信信号无法穿透月球抵达其背面,这就需要中继卫星的帮助来实现数据传输,完成地面测控任务。 [5]

探月工程重大专项实施由国防科工局组织实施。此次中继星任务由工程总体及卫星、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。

工程总体承担:国防科工局探月与航天工程中心;

卫星、运载火箭分别由中国航天科技集团有限公司中国空间技术研究院、上海航天技术研究院研制生产;

发射和测控任务负责:中国卫星发射测控系统部;

地面应用系统承担:中国科学院国家天文台 [6]

“鹊桥”装载有伞状抛物面天线、测控天线和数传天线三类低频射电天线。其中,伞状天线展开直径达4.2米,是人类深空探测史上口径最大的通信天线。它将直接指向月球,与嫦娥四号探测器对接,不仅要将地面的测控指令说给探测器听,还要听清楚探测器要对地球说些啥。

“鹊桥”要提供中继服务,中继通信分系统是最核心的部分。该系统在地、月、星之间建立了三条链路对月前向链路、对月反向链路以及对地数传链路。这三条链路将能实现“鹊桥”与嫦娥四号探测器的双向通信,以及与地面的双向通信。 [7]

鹊桥发射后预定进发的位置为“地月系统拉格朗日-2点”(简称地月L2点),这个点位于地球和月球两点连线的延长线上,在月球背对地球的一侧。“鹊桥”架设在该点上既可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换,即完成“中继”任务,又因为受地月引力作用平衡而保持相对稳定状态,从而节省卫星燃料,有利于对其进行轨道控制。

地月L2点位于地月连线的延长线上,该点轨道包括李萨茹轨道和Halo轨道,综合考虑中继星与嫦娥四号着陆器、巡视器的距离稳定性、覆盖率、轨道进入和维持、月球遮挡影响等因素,科研人员经反复研究,最终确定将Halo轨道作为“鹊桥”中继星使命轨道,实现对嫦娥四号着陆器和巡视器的中继通信覆盖。 [5]

2018年6月14日11 时 06 分,探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”中继星成功实施轨道捕获控制,进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道,成为世界首颗运行在地月L2点Halo轨道的卫星。后续将在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试,为年底择机发射的嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。 [4]

“鹊桥”中继星将成为架设在嫦娥四号着陆器和巡视器与地球间的“通信站”,搭建地月信息联通的“天桥”。嫦娥四号任务共搭载4台国际合作载荷,其中由荷兰研制的低频射电探测仪和由沙特研制的月球小型光学成像探测仪在此次“鹊桥”中继星任务中搭载;德国月表中子与辐射剂量探测仪、瑞典中性原子探测仪将搭载在嫦娥四号探测器上。 [4]

鹊桥将为嫦娥四号探测器提供地月中继通信支持,解决与月球背面通讯问题,提供地月中继通信支持,其搭载的两颗小卫星将实现月球轨道环绕编队飞行,开展超长波天文观测。 [2-3] [8]

2018年4月15日,中继星进抵发射场;

2018年5月8日,CZ-4C火箭完成转载转运及吊装工作;

2018年5月14日,卫星转场工作顺利完成;

2018年5月21日,CZ-4C火箭成功将嫦娥四号中继星,送入预定轨道。在科学的计划安排和高效组织指挥下,CZ-4C火箭发射任务获得了圆满成功。 [9]

长征四号丙运载火箭飞行25分钟后,星箭分离,将“鹊桥”号中继星直接送入近地点高度200公里,远地点高度40万公里的预定地月转移轨道,卫星太阳翼和中继通信天线展开正常。后续,“鹊桥”号中继星将经中途修正、近月制动和月球借力,并完成L2点捕获、轨道修正后,最终进入环绕地月L2点的使命轨道。 [6]

“鹊桥”号是我国首颗,也是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星,作为数据中转站,它能够实时的把在月球背面着陆的嫦娥四号探测器发出的科学数据第一时间传回地球,具有重大的科学与工程意义,也是人类探索宇宙的又一有力尝试。

根据设计,“鹊桥”卫星将在L2点做拟周期运动,通过定期轨控保持轨道的稳定性,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

此前,仅有美国的Artemis任务和中国的探月三期飞行试验器以拓展试验的名义短暂造访过这片神奇的空域,但都没有实现长期运转。因此,中继星将首次实现地月L2新轨道的长期稳定运行。 [10]

“鹊桥”从西昌卫星发射中心升空,迈出了我国月球背面着陆与探测的第一步。 [11]


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