“鵲橋”出征，呼喚嫦娥！中國成功發射人類首個月球信號中繼星-太空精釀
5月21日5點28分，在我國西昌衞星發射中心，由中國航天科技集團有限公司抓總研製的嫦娥四號中繼星“鵲橋”搭乘長征四號丙運載火箭升空。衞星由火箭送入近地點約200公里、遠地點約40萬公里的地月轉移軌道。
拍攝：我們的太空 呂炳宏
月球是地球唯一的天然衞星，陪伴地球已經超過45億年。**它對地球地軸指向、自轉穩定、週期潮汐、夜晚照明等有着巨大意義。**可以説，離開了月球，地球根本不會是今天這種光景。
1.人類永遠只能看到月球的“一面”
由於地球強大引力的影響，月球也付出了很大代價：地球將它的自轉週期減慢為與圍繞地球公轉週期完全一樣，也就是潮汐鎖定。
在這種效應下，身處地球的人類基本永遠只看到月球的“正面”，只能在月球的天秤動效應下（月球軌道是橢圓，在軌道不同點的公轉速度不同，月球自轉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。
人類在地球上永遠只能看到的月球正面（左）和看不全的背面（右）（圖片來源於NASA）
即便到了載人航天時代，由於月球整體的阻攔，背面成了地面通信的禁區。在過去的60年內，人類已經發射了超過百個月球探測器，其中有65個月球着陸器，但僅有非載人的環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，沒有任何一個能夠實現月球背面的着陸。
也正因如此，人類關於月球背面的陰謀論和謠言甚囂塵上，外星人基地、納粹殘餘、月球人家園，這些甚至廣泛出現在各種科幻作品中，各種演繹充滿想象力。月球背面甚至得名“月之暗面”（儘管實際上背面也能被太陽照到，只是人類看不到而已）。
為實現月球背面的探測、登陸與研究，就必須把信號傳遞到那裏。現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. 信號中繼衞星，是什麼？
相信大家也可以想到：載人飛船環繞地球運行時，90分鐘左右就能繞地球一週，如果到地球背面時，該怎麼聯繫？
主要有三種方案：
1.全球佈網測控站，但需要世界範圍內都買單的強大政治影響力，還有海洋無法建站因素，顯然很難；
2. 建立移動測控站，比如我國前後7艘遠望號測量船中的2艘左右會在火箭發射時駛入大洋，但顯然每次都航行到地球另一側不現實；
3. 在太空中建立信號中繼衞星網絡，它們運轉在距離地面35786千米高的軌道，與地球自轉同步，只要3-4顆足夠覆蓋全球，它們就是“天眼”，但技術難度顯然最高。
第三種提到的就是信號中繼衞星，它們的功能就是接收、加工、轉發其他衞星的信息，換句話説：“衞星的衞星”。擁有這個技術的國家/地區有美國、俄羅斯、歐洲、中國、日本，但目前處在完整工作狀態下的中繼衞星通訊系統中，僅有美國和中國能夠實現全球覆蓋。
舉個典型的例子，2003年，中國航天第一人楊利偉進入太空，彼時他只能在飛到中國附近衞星測控站時才能與地球聯繫。無論是跟國防部長通話還是跟家人問候，一次大概5分鐘就必須草草結束。
王亞平授課是通過天鏈一號系統（圖片改編自中新網）
而到了2013年神舟十號，王亞平就已經能在太空中實現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衞星，天鏈一號。
3. 為了嫦娥四號，咱也送一顆中繼衞星去月球？
為探測月球背面發射信號中繼星，在1960年代NASA準備阿波羅登月項目時就有提出，直到任務結束也沒有被立項。現在最多的應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着陸器中繼信號。
**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信號轉發服務，它的信號中繼衞星需要提前出發準備，這自然也是人類歷史上首個月球信號中繼衞星。
嫦娥四號信號中繼衞星帶有一個口徑4.2米的傘面天線 （圖片來源於吳偉仁等，詳見注1）
在2018年4月24日中國航天日，這個中繼衞星被命名為“鵲橋”，想必這個名字的典故和來歷，不需要補充了。
不過不同於大型的天鏈系列衞星，鵲橋使用的是我國空間技術研究院CAST100衞星平台，這是一個微小衞星通用平台，因而鵲橋也的確“身輕如鵲”，只有包含燃料也僅有幾百千克。
為了穩定在遙遠的深空同時保證對地月通訊的穩定，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測試飛行器已經驗證了相關軌道轉移和控制技術。
拉格朗日點又叫做平動點，對於兩個天體而言，它們的綜合引力影響在這些點（共計5個）達到平衡，那麼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、在較小天體外側的點，在月球背後。**因此，選擇這個點有三個重大優勢：
a. 隨着這兩個天體一同運動並與二者處在幾何關係幾乎不變的狀態；
b. 兩個天體引力平衡，衞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、月球的軌道關係 （圖片來源於吳偉仁等，詳見注1）
因此，對於設計壽命5年的信號中繼星而言，它能夠輕易穩定在這個軌道數十年，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使用。
在2018年底，嫦娥四號抵達月球背面時，這個鵲橋“天眼”將會執行任務的指令發送、信號中繼、數據下載等功能，成為鏈接地球與月球的“鵲橋”。
中繼星實現地月信號傳遞的鏈路 （圖片來源於吳偉仁等，詳見注1）
同時，這個中繼星還攜帶了激光反射器，驗證我國的超遠距離激光測距技術。2018年1月27日，我國剛實現了地月距離的激光測距，而中繼星將會把這個距離進一步增加約8萬千米（月球距離地球最遠狀態是40萬千米）。
由於執行發射任務的長征四號丙火箭發射鵲橋運力尚有剩餘，這次任務還將攜帶兩顆超長波天文觀測微衞星組成編隊實現天文干涉測量實驗。他們可以利用月球背後幾乎不被地球干擾的特點，實現更加純粹的觀測。宇宙“黑暗”時期到底有什麼，由它們來揭秘，這也是人類首次採用這種方式觀測宇宙。
兩顆衞星組成的“太空天文台” （圖片來源於張錦繡等，詳見注2）
在最近的航天日上，我國也宣佈了這兩顆衞星的命名。衞星的主要設計團隊來自位於黑龍江省的哈爾濱工業大學，它們的名字“龍江一號”和“龍江二號”來歷想必大家也很清楚了。
中國製造，既是照亮月球背面的“天眼”，又是鏈接地球月球的“鵲橋”，預祝嫦娥四號任務一切順利！
注：
1. 文中的 ã吳偉仁等 均指來自此期刊文章：吳偉仁，王瓊，唐玉華，等. “嫦娥4號”月球背面軟着陸任務設計[J]. 深空探測學報，2017， 4(2):111-117.
2. 文中的 ã張錦繡等 指來自此期刊文章：張錦繡, 陳學雷, 曹喜濱,等. 月球軌道編隊超長波天文觀測微衞星任務[J]. 深空探測學報, 2017, 4(2):158-165.
3. NASA最早提出的完整月球信號中繼方案可見文章：Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
出品：科普中國
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