近日，一顆即將于5月份發(fā)射的衛(wèi)星成了人們“刷屏”的明星，這不僅在于它有極具中國傳統(tǒng)文化特色的名字“鵲橋”，而且在于它將為計劃于今年底奔月的嫦娥四號提供衛(wèi)星“中繼服務”，是名副其實的“嫦娥先行官”。

嫦娥四號發(fā)射之前為什么要先架“鵲橋”呢？“鵲橋”所提供的中繼服務究竟是什么？“鵲橋”是中國第一顆中繼衛(wèi)星嗎？它發(fā)射后將在怎樣的軌道上運轉(zhuǎn)？它將與嫦娥四號一起演繹怎樣的“奔月故事”……這些無疑都是人們關心的問題。

“鵲橋”將飛架在地月L2點

“鵲橋”是一顆“中繼衛(wèi)星”。該類衛(wèi)星屬于通信衛(wèi)星，被形象地稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，因為它們可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務，極大提高各類衛(wèi)星使用效益和應急能力，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實時下傳。

嫦娥四號登月探測器是嫦娥三號的備份星，計劃將登陸月球背對地球一面的南極附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐鎖定，它只能永遠以同一面朝向地球。這就意味著，在月球背面登陸的嫦娥四號與地球上的測控中心不僅相隔遙遠的地月距離，而且還要隔著月球球體進行通信聯(lián)系。但通信信號無法穿透月球抵達其背面，這就需要中繼衛(wèi)星的幫助來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成地面測控任務。這是“嫦娥”此次發(fā)射奔月之前先發(fā)射“鵲橋”衛(wèi)星的原因。

茫茫宇宙浩渺無垠，“鵲橋”發(fā)射升空后將架設在哪里才能充分發(fā)揮其提供中繼服務的作用呢？這就必須提到一個概念：拉格朗日點。根據(jù)天體力學，一個小物體在兩個大物體的引力作用下居于空間中的一點，在該點處，小物體相對于兩個大物體基本保持靜止。這些點的存在由瑞士數(shù)學家歐拉于1767年推算出前3個，法國數(shù)學家拉格朗日于1772年推導證明剩下的兩個。1906年，首次發(fā)現(xiàn)運動于木星軌道上的小行星在木星和太陽的作用下處于拉格朗日點上。在每個由兩大天體構(gòu)成的系統(tǒng)中，按推論有5個拉格朗日點，但只有兩個是穩(wěn)定的，即小物體在該點處即使受外界引力的攝擾，仍然有保持在原來位置處的傾向。每個穩(wěn)定點同兩大物體所在的點構(gòu)成一個等邊三角形。

“鵲橋”發(fā)射后預定進發(fā)的位置為“地月系統(tǒng)拉格朗日－2點”（簡稱地月L2點），這個點位于地球和月球兩點連線的延長線上，在月球背對地球的一側(cè)。“鵲橋”架設在該點上既可以同時與地球和月球背面進行信息和數(shù)據(jù)交換，即完成“中繼”任務，又因為受地月引力作用平衡而保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，從而節(jié)省衛(wèi)星燃料，有利于對其進行軌道控制。

中國中繼衛(wèi)星已形成“家族”

中繼衛(wèi)星的主要功能是進行天基測控和空天數(shù)據(jù)中繼，可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務。相比于地基測控，天基測控的最大優(yōu)勢就是覆蓋率高，具有實時性、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。該類衛(wèi)星作為在太空中運行的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，扮演著“太空偵查員”“通信接線員”“太空導航員”的角色，對中、低軌道衛(wèi)星進行實時監(jiān)控，使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實時下傳，為太空運行的航天器提供預警預報、導航定位，使太空航行準確安全。作為航天大國，中國對中繼衛(wèi)星的需求無疑是強烈的，這也驅(qū)動了中國中繼衛(wèi)星的研制、發(fā)射和組網(wǎng)運行。

2003年，中國立項并啟動了天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工程。2008年4月25日，該系統(tǒng)01星成功發(fā)射，當年就參與并圓滿完成了“神舟七號”數(shù)據(jù)中繼服務。作為中國第一顆地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，天鏈一號01星采用成熟的東方紅三號通用平臺并突破多項關鍵技術，標志著中國航天測控覆蓋率提升到新水平，使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等應用衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時下傳、及時應用，效能倍增。2011年、2012年相繼成功發(fā)射天鏈一號02、03星，它們同時運行并與地面應用系統(tǒng)、中繼終端等組成跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，中國由此成為世界第二個擁有對中、低軌道航天器全球覆蓋中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。在中國重大航天任務實施過程中，比如神十一飛船和天宮二號空間實驗室飛行任務中，天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為航天員與地面“天地通話”“天地雙向視頻通話”和航天員與地面同步收看電視新聞立下了汗馬功勞。2016年11月，天鏈一號04星成功發(fā)射，實現(xiàn)中國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的更新?lián)Q代。

對中國中繼衛(wèi)星的發(fā)展，航天科技集團五院院長張洪太評價說，中國的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設走出了一條符合國情、技術上自主創(chuàng)新的道路。比如，突破了星上自主閉環(huán)精密捕獲跟蹤等關鍵技術，解決了高速運動航天器之間跟蹤與高速數(shù)據(jù)中繼問題；建立了星——星、星——地技術體制和全程鏈路指標體系。

“鵲橋”是中國中繼衛(wèi)星家族中新的成員，與天鏈一號系列中繼衛(wèi)星相比，雖然用途和技術途徑相似，但無疑面臨的任務更艱巨，面臨的技術挑戰(zhàn)更大。中國航天人已然成竹在胸，航天科技集團五院黨委書記趙小津表示，“鵲橋”研制團隊攻克了地月拉格朗日2點軌道設計與控制、遠距離中繼通信等關鍵技術，其各項性能和指標完全符合任務需求。

嫦娥三號曾經(jīng)到此一游

實現(xiàn)探測器首次登陸月球背面無疑是人類航天史上的一項壯舉，對嫦娥四號的表現(xiàn)人們充滿期待。從“嫦娥”既往堪稱驚艷的奔月紀錄來看，人們也有充分的理由對計劃于年底出征的嫦娥四號抱有十足的信心。如果說有什么不確定性的話，在很大程度上來自于為嫦娥四號保駕護航的中繼衛(wèi)星“鵲橋”。實際上，“鵲橋”成功于預定位置搭建好并達到預期表現(xiàn)是嫦娥四號發(fā)射奔月的基本條件和前提，用航天科技集團科技委主任包為民的話說就是“如果‘鵲橋’工作正常，中國將在下半年發(fā)射嫦娥四號探測器”。

“鵲橋”作為預期定點于地月L2點的中繼衛(wèi)星，其“工作正?！逼鋵嵃瑑蓪雍x：一是準確架設入位，也就是發(fā)射后要準確進入定點位置即地月L2點；二是其傳輸信號和數(shù)據(jù)的性能得到預期發(fā)揮，表現(xiàn)良好。否則就是處于不正常工作狀態(tài)。

“鵲橋”能否準確架設到位當然屆時才能最終確定，但是目前來看，對于中國航天機構(gòu)來說，把航天器送到地月L2點把握大嗎？對于熟悉中國航天發(fā)展的人來說，這個問題的答案非常明確：把握很大！因為既往的經(jīng)驗已經(jīng)證明了這一點。實際上，早在3年多前，中國科學家就已經(jīng)把飛行器送抵地月L2點。不僅如此，早在約7年之前，中國科學家就已經(jīng)把飛行器精準送抵日地L2點。而這兩個飛行器就是“嫦娥”，分別是嫦娥三號再入返回飛行器服務艙和嫦娥二號。

2014年11月1日，嫦娥三號服務艙與返回器分離后，返回到遠地點54萬公里、近地點600公里的大橢圓軌道，開展拓展試驗任務。11月23日，服務艙開始飛向地月L2點，4日后進入環(huán)繞地月L2點的軌道。這是中國航天器首次到達地月L2點。服務艙實現(xiàn)了環(huán)繞該點飛行三圈，開展了全新的科學探測任務，驗證了軌道設計、軌道控制和軌道維持技術。

2011年8月25日，嫦娥二號經(jīng)過77天飛行，受控準確進入距離地球約150萬公里遠的日地L2點的環(huán)繞軌道。這是中國第一次開展拉格朗日點轉(zhuǎn)移軌道和使命軌道的設計和控制，并實現(xiàn)150萬公里遠距離測控通信。此舉也使中國成為世界上第三個造訪日地L2點的國家和組織，也是世界上第一個實現(xiàn)從月球軌道出發(fā)抵達該點的國家和組織。