太空再架新“鵲橋”，向著星辰大海邁進！

3月20日，探月四期后續(xù)工程的“關(guān)鍵一環(huán)”——鵲橋二號中繼星由長征八號遙三運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射升空。

圖片來源：新華社（楊冠宇 攝）

火箭飛行24分鐘后，星箭分離，將鵲橋二號中繼星直接送入近地點高度200公里，遠地點高度42萬公里的預定地月轉(zhuǎn)移軌道，中繼星太陽翼和中繼通信天線相繼正常展開，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。這次發(fā)射任務(wù)的亮點有哪些？讓我們來展開說明一下。

1、長八遙三，厲害在哪？

鵲橋二號中繼星所選用的長征八號運載火箭是我國新一代運載火箭成員，是一型面向國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場研制的中型低溫液體運載火箭。此次發(fā)射是長征八號運載火箭的第三次發(fā)射，也是該火箭首次執(zhí)行深空發(fā)射任務(wù)。同時，本次發(fā)射任務(wù)也將使其成為繼長征三號甲、長征三號丙、長征三號乙、長征四號丙和長征五號之后，我國的第六型執(zhí)行深空發(fā)射任務(wù)的運載火箭。

長征八號是一型基于“模塊化、組合化、系列化“思路研制的液體運載火箭。該箭芯一級和助推器模塊與長征七號對應模塊相同，使用了推力較大、成本較低的液氧煤油動力；芯二級則繼承了長征三號甲系列的氫氧末級模塊，兼收了氫氧動力的高效率優(yōu)勢。長征八號的模塊化還體現(xiàn)在其包含基本型和單芯級兩種構(gòu)型。基本型采用兩級半構(gòu)型，由芯一級、芯二級和兩枚助推器構(gòu)成，基本型去掉助推器則形成單芯級構(gòu)型。

長八遙三為采用兩級半構(gòu)型的基本型，最大高度50.34米，一級直徑3.35米、二級直徑3米、助推器直徑2.25米，最大起飛質(zhì)量356噸?；鸺疽患壟鋫?臺YF-100液氧煤油發(fā)動機，單枚助推器配備1臺YF-100發(fā)動機，芯二級配備2臺YF-75氫氧發(fā)動機，起飛推力約480噸。其運載能力為近地軌道8.1噸，太陽同步軌道5.5噸，同步轉(zhuǎn)移軌道2.8噸，地月轉(zhuǎn)移軌道大于1.3噸。

長征八號火箭是我國第一枚通過數(shù)學建模與仿真來獲取全箭動特性參數(shù)的大中型液體火箭。傳統(tǒng)火箭在研制時都會進行全箭模態(tài)試驗，用實物試驗獲取飛行中火箭的動特性參數(shù)。而長征八號通過采用虛實結(jié)合仿真的模態(tài)綜合技術(shù)，解決了箭體特征頻率、振型等數(shù)據(jù)獲取的難題，標志著我國運載火箭設(shè)計和制造水平的顯著提升。

長征八號在發(fā)射時的一大看點就是其一級飛行段的主動減載。長征八號在結(jié)構(gòu)特征上呈現(xiàn)出“大腦袋、細脖子”的特點，整流罩較大，其下面的二子級箭體則相對細長。這樣的外形對外界橫風干擾更加敏感，如果沒有主動減載，就可能產(chǎn)生較大彎矩，造成箭體結(jié)構(gòu)的破壞。

圖片來源：新華社（楊冠宇 攝）

按照長征八號的飛行軌道設(shè)計，火箭將在一、二級分離前通過南海上空稠密大氣層，西向的大風將對火箭飛行形成垂直作用力，對二子級施加不利的橫向載荷。為此，長征八號火箭通過自適應減載控制，將發(fā)動機100%的推力降到77.5%，使得作用在箭體上的動壓減少一半，保證了輕質(zhì)貯箱結(jié)構(gòu)對不確定風場的適應性，安全通過“危險地帶”。

2、“鵲橋”還在任，“鵲橋二號”又上崗，兩兄弟并肩作戰(zhàn)更高效

說起鵲橋二號所要承擔的月面中繼通信任務(wù)，想必大家不會過于陌生，因為在2018年，其前輩“鵲橋”中繼通信衛(wèi)星就已發(fā)射升空，為嫦娥四號月背探測任務(wù)進行了通信中繼保障。

眾所周知，由于月球的公轉(zhuǎn)周期與其自轉(zhuǎn)周期一致，所以月球背面始終背朝著地球。地球與月球背面探測器的直接通信受到月球自身的遮擋而無法進行，因此執(zhí)行月球背面探測任務(wù)的探測器必須依賴中繼衛(wèi)星與地球建立聯(lián)系。

2019年嫦娥四號探測器傳回的月背影像圖像。圖片來源：新華社

相比于鵲橋號，鵲橋二號中繼通信衛(wèi)星在其基礎(chǔ)上進行了升級，整體能力和技術(shù)水平有了很大的提升。該星質(zhì)量1.2噸，約為其前輩448.7千克的三倍；設(shè)計壽命8年，比其前輩整整多了3年。

鵲橋二號最顯著的特征就是其頭頂上安裝的直徑4.2米的X波段拋物面天線，這是一具在發(fā)射時折疊，進入太空后像傘一樣展開的折疊天線。該天線通體金色，用于與月面探測器進行通信，繼承自鵲橋號，指向控制精度優(yōu)于0.03°。

鵲橋二號還安裝有直徑0.6米，用于與地面數(shù)傳通信的S/Ka雙波段拋物面天線，能夠雙軸跟蹤指向地面站。衛(wèi)星上還裝了測控用的S波段天線，以及與探測器聯(lián)系的特高頻（UHF）中繼天線。這些天線確保鵲橋二號除了能夠?qū)⑻綔y器獲得的數(shù)據(jù)和信號轉(zhuǎn)發(fā)回地球，還向探測器轉(zhuǎn)發(fā)地面上行的各種指令。

鵲橋二號首個“服務(wù)對象”——嫦娥六號計劃落點在月球背面南極地區(qū)的艾特肯盆地，緯度高達88度，極為接近月球南極點。已經(jīng)超期服役的鵲橋衛(wèi)星，處于距月球約6.5萬千米的地月拉格朗日L2點暈軌道，對低緯度地區(qū)通信時長尚能保證，但對高緯度就顯得稍有不足了。因此鵲橋二號采用了環(huán)繞月球的大橢圓凍結(jié)軌道，傾角約55度，近月點高度200公里左右，遠月點16000公里左右，遠月點位于月球南極的一側(cè)，相比于“前輩”更加靠近于月面探測器。

（圖片來源：央視新聞）

也許有人會問：如果鵲橋二號只能在接近月球南極上空時才行實現(xiàn)中繼，那么在這段保持通信的時間里，能順利完成采樣任務(wù)嗎？這次選用大橢圓軌道，主要目的是希望衛(wèi)星在月球南極上空獲得更長的中繼通信時間，盡管不能夠持續(xù)保持在月球南極上空，但足以為月面探測器保持一個足夠長的通信弧段。而處于拉格朗日L2點的鵲橋號盡管理論上對于月背全時可見，但是月球南極附近與其通信時，天線仰角過低，很容易受到山峰谷地等地形的遮蔽影響造成無法通信。此外，維持該軌道消耗推進劑極少，從而保證了衛(wèi)星更長久的使用壽命。

別忘了，“鵲橋二號”這次出征還帶著兩位“保鏢”——天都一號、天都二號通導技術(shù)試驗星。雙星將隨“鵲橋二號”月球中繼衛(wèi)星一同進入地月轉(zhuǎn)移軌道，擇機分離后，將編隊飛行于環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道，開展導航系統(tǒng)空間基準異源標定、通信系統(tǒng)高可靠傳輸與路由轉(zhuǎn)發(fā)、通信測距一體化調(diào)制等新技術(shù)驗證。

鵲橋二號還搭載了極紫外相機、陣列中性原子成像儀、地月VLBI系統(tǒng)等一系列先進設(shè)備，這些設(shè)備將助力科學家們深入探究月球背面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學成分等奧秘。

3、載人登月、火星采樣，缺了中繼星可不行

此次鵲橋二號的發(fā)射只是個開始，從更長遠的角度來看，它還是我國未來將要構(gòu)建的深空網(wǎng)絡(luò)的一部分。

嫦娥六號任務(wù)完成后，鵲橋二號將會擇機調(diào)整軌道，從而為嫦娥七號、嫦娥八號以及后續(xù)月球探測任務(wù)提供服務(wù)。此外，鵲橋二號還要接力鵲橋號，為在月球背面執(zhí)行探測任務(wù)的嫦娥四號和玉兔二號提供中繼通信服務(wù)。

在今年初的第74屆國際宇航大會（IAC）上，我國透露了后續(xù)將開展發(fā)射鵲橋三號系列衛(wèi)星與鵲橋二號組網(wǎng)的任務(wù)。先在環(huán)月球空間和地月拉格朗日點組成航天器中繼網(wǎng)絡(luò)，后期根據(jù)計劃進行擴展，形成太空星際空間中轉(zhuǎn)站，通過定期軌控保持軌道穩(wěn)定性，可實現(xiàn)對月面著陸器、巡視器的中繼通信覆蓋，提升空間網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。

鵲橋二號等中繼衛(wèi)星的發(fā)射和深空網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，還將為月球科研站提供穩(wěn)定的通信和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，推動科研站的建設(shè)進程。

此外，我國未來包括近地小行星采樣返回、火星取樣返回、木星探測等的深空探測任務(wù)，均需要后續(xù)中繼星的通信支持。在整個鵲橋星座建設(shè)之后，我國將實現(xiàn)深空通信，不僅是月球上面具有信號，還將支持火星，金星網(wǎng)絡(luò)，在這些星球上都可以傳播信號，通過高速激光鏈路提供信號。

九天攬月，筑夢蒼穹。時值春分，愿我國的航天事業(yè)如春光燦爛，探索宇宙的腳步更加鏗鏘。

作者：于遠航 北京宇航系統(tǒng)工程研究所高級工程師

審核：劉勇 中國航天科普大使，中國空間科學學會科普工作委員會主任，中國科學院國家空間科學中心研究員

出品：科普中國

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