昨天上午，嫦娥四號探測器在月球背面成功軟著陸。由于月球的背面一直無法被人類直接觀測，當探測器飛到月球背面時，與地球無法通過無線電進行聯(lián)絡，探測器的實時狀態(tài)和科學數(shù)據(jù)傳不下來，地球的指令也送不上去。因此，解決月球背面著陸巡視過程中的通信問題，就成為橫亙在嫦娥四號任務前的一道天塹。

2018年12月8日2時23分34秒367毫秒，嫦娥四號月球探測器從我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，人類首次月球背面著陸巡視探測揚帆起航。月球背面探測的測控和通信，一直是世界性難題，這篇文章就與各位讀者一起聊聊中國航天人是如何解決這個問題的。

一． 軌道探索

由于月球的背面一直無法被人類直接觀測，當探測器飛到月球背面時，與地球無法通過無線電進行聯(lián)絡，探測器的實時狀態(tài)和科學數(shù)據(jù)傳不下來，地球的指令也送不上去。

因此，解決月球背面著陸巡視過程中的通信問題，就成為橫亙在嫦娥四號任務前的一道天塹。不能建造一座橫跨天塹的橋，整個任務的實施就無從談起。

那么問題來了——在哪里造橋呢？

人類對于地月系統(tǒng)中引力平衡點軌道的研究，最早甚至可以追溯到18世紀。

1765年，數(shù)學巨匠歐拉發(fā)現(xiàn)，在任意一個旋轉的二體系統(tǒng)中，都存在3個與二體共線的平動點。1772年，法國數(shù)學家拉格朗日進一步確定了另外兩個與二體成等邊三角形關系的平衡點。

萊昂哈德?歐拉 |約瑟夫?拉格朗日。

后人將這五個平衡點統(tǒng)稱為“拉格朗日點”，所有拉格朗日點都在二體的旋轉平面內(nèi)。

二體問題中的五個拉格朗日點位置| 圖片來源EnEdC@Wikipedia

在這五個拉格朗日點中，L4和L5點是穩(wěn)定平衡點，就像放在碗中的小球，任何讓小球偏離原位的小擾動，都會以小球滾回原位穩(wěn)定下來告終。

穩(wěn)定平衡的小球

對L4和L5，自然界中最著名的例子當屬太陽-木星系統(tǒng)中的特洛伊小行星群，數(shù)以千計的小行星被太陽和木星的引力俘獲，進入日木二體系統(tǒng)的L4和L5點附近，與木星一起穩(wěn)定地繞太陽公轉。對L4點的小行星，科學家以特洛伊戰(zhàn)爭中希臘方的英雄命名，對L5點的小行星則以特洛伊城方的英雄命名。

特洛伊小行星群 |圖片來源@NASA

而L1、L2和L3都是不穩(wěn)定平衡點，就像放在倒扣的碗正上方的小球，稍有擾動就會離開原有位置。

不穩(wěn)定平衡的小球

盡管L1、L2和L3都是不穩(wěn)定平衡點，科學家們發(fā)現(xiàn)，只要用很小的速度增量，就能讓航天器在拉格朗日點附近的局域空間內(nèi)運行。

如果航天器繞拉格朗日點的周期性運行只維持在二體系統(tǒng)的公轉平面內(nèi)，就會形成二維平面上的閉合軌道，這種軌道被稱作李雅普諾夫軌道（Lyapunov Orbit）。

如果航天器有垂直于二體系統(tǒng)公轉平面的運動，且平面內(nèi)運動的周期與垂直運動的周期一致，就會形成三維平面上的閉合軌道，這種軌道就是羅伯特?法夸爾命名的暈軌道（Halo Orbit）。從地球看去，這種軌道就像月暈那樣環(huán)繞著月亮。

當平面內(nèi)運動的周期與垂直運動的周期不一致，軌道將在三維空間內(nèi)產(chǎn)生進動，稱為李薩如軌道（Lissajous Orbit），玩過示波器的讀者朋友應該很熟悉李薩如圖形。

還有一類軌道，與暈軌道有偏差，但這種偏差保持在一定范圍內(nèi)，被稱為擬暈軌道（Quasi-Halo Orbit）。

如果讀者朋友已經(jīng)看暈了的話，下面一張圖能夠讓大家完美識別這四種軌道，其中左上角圖(a)為李雅普諾夫軌道，右上角圖(b)為暈軌道，左下角圖(c)為李薩如軌道，右下角圖(d)為擬暈軌道：

圖片來源Rui Qi and Shijie Xu @BIT。

毫無疑問，對于月球背面探測任務，以地月L2點暈軌道為使命軌道穩(wěn)定運行的中繼星，就是跨越月背天塹的橋。

所以，中國航天人建造了“鵲橋”——一顆小巧的中繼衛(wèi)星。

鵲橋號衛(wèi)星|圖片來源@中國空間技術研究院。

二． 鵲橋選址

盡管確定了暈軌道作為鵲橋號衛(wèi)星的軌道類型，但對于實際的軌道設計，我們的軌道專家則考慮得更多。

一方面，作為使命軌道的暈軌道不能太小。因為鵲橋號的初衷是為嫦娥四號的月背探測提供持續(xù)的數(shù)據(jù)中繼傳輸，過小的軌道會進入月球相對地球的陰影區(qū)，信號被月球遮擋——這被稱為月掩。這是我們不采用李薩如軌道的原因，復雜的進動軌道在漫長的任務周期中難免出現(xiàn)月掩，這對于任務設計而言不可接受。

月掩示意圖 |圖片來源高珊，周文艷等 @中國空間技術研究院。

另一方面，作為使命軌道的暈軌道又不能太大。我們把落月的嫦娥四號探測器和鵲橋號中繼星的連線，與嫦娥四號當?shù)卦虑虻仄骄€的夾角稱為高度角。這個角度是嫦娥四號探測器“仰望”中繼星的角度，如果高度角太小，信號就相當于貼著月球表面發(fā)射，嚴重影響信號質(zhì)量。

月球高度角示意圖

當使命軌道的振幅過大時，高度角自然會減小，而同高度角情況下月球表面能“看”到中繼星的區(qū)域也會變少。因此，鵲橋號衛(wèi)星的使命軌道在地月公轉平面外的振幅，可以取1萬到1.5萬千米。這樣，在中繼星的3年任務周期內(nèi)，可以100%不間斷地被嫦娥四號“仰望”，并且信號質(zhì)量有保障。

嫦娥四號與鵲橋號中繼星進行低高度角通信 |圖片來源@中國空間技術研究院

到此為止了嗎？

當然沒有，科學家還要考慮軌道的光照條件。

地球和月球在被太陽光照射時，會在他們身后形成一道長長的陰影，依靠太陽帆板提供電力的鵲橋號，如果長期運行在地球或月球的陰影中，就會出現(xiàn)電力不足，無法正常工作的情況。

地影和月影 |圖片來源高珊，周文艷等 @中國空間技術研究院

在對比了南北兩個方向振幅的使命暈軌道后，科學家們發(fā)現(xiàn)，在任務周期內(nèi)，南向振幅的暈軌道在地影和月影的發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時長等方面都要好于北向的軌道。

因此，最終鵲橋號中繼星選擇了南向振幅13000km、軌道平均周期14天的暈軌道作為使命軌道。出于優(yōu)化燃料使用的目的，鵲橋號的軌道控制采用擬暈軌道方式，實際軌道與使命軌道的偏差保持在較小的范圍內(nèi)，每半圈（7天）進行一次軌道維持。

圖片來源 @中國空間技術研究總體部。

三、飛向L2

鵲橋號衛(wèi)星的軌道設計縝密而完善，但地月相距38萬千米，地月系統(tǒng)的L2點更是在地球的45萬千米之外，如何順利地將鵲橋號衛(wèi)星送達預定軌道也是需要動一番腦筋的。

為此，我們的科學家設計了精巧的轉移軌道，可以使衛(wèi)星以較少的燃料消耗安全抵達預定位置。

鵲橋號中繼星的飛行軌道 |圖片來源吳偉仁，王瓊等 @探月與航天工程中心

為了充分利用月球引力輔助減速，鵲橋號的近月點高度只有100千米，這對衛(wèi)星的中途修正點火精度有著很高的要求，稍有偏差，鵲橋號就會步美國徘徊者4號的后塵，直接撞擊月面。

在鵲橋號到達L2點后，還要進行下圖中的三次變軌，真正進入繞L2飛行的暈軌道。

鵲橋號中繼星的轉移軌道 |圖片來源高珊，周文艷等 @中國空間技術研究院

2018年5月21日5時28分，鵲橋號中繼星搭載長征四號丙運載火箭，由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，這也是長征四號系列火箭的第一次高軌道發(fā)射。

圖片來源 @新華社

上世紀80年代，我國為發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星研制三級運載火箭，出于技術穩(wěn)妥性考慮，采用常規(guī)燃料第三級的長征四號一度是第一方案。關鍵時刻，以任新民為代表的老一輩航天人，敏銳地意識到液氫/液氧發(fā)動機在高軌道發(fā)射方面有著更廣闊的前景，果斷向黨中央建議支持采用氫氧機的長征三號火箭執(zhí)行同步軌道發(fā)射。而長征四號系列則轉為發(fā)射太陽同步軌道和低地球軌道衛(wèi)星。

鵲橋號中繼星的發(fā)射，也讓長征四號終于圓了設計之初的夢想。

航天巨擘任新民院士|圖片來源 @中國運載火箭技術研究院

5月25日21時32分，鵲橋號實施近月制動，這次制動精度很高，原計劃后續(xù)的第四次軌道修正取消。

6月14日11時，鵲橋號成功進入Halo使命軌道。

目前，鵲橋號整星工作正常，設備溫度正常，各次軌控正常，平臺各分系統(tǒng)功能正常，正在月球的另一邊，靜待嫦娥四號探測器的到來。

待到嫦娥歸來時，天塹變通途。