今天凌晨5點(diǎn)28分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征四號丙運(yùn)載火箭，成功將嫦娥四號任務(wù)“鵲橋”號中繼星發(fā)射升空。

　　這顆衛(wèi)星將穿針引線，在地面和月球背面之間架起通信的橋梁。

裝載著“鵲橋”號的長征四號發(fā)射成功。圖片來源：央視網(wǎng)

　　這座橋梁，是給今年年底將要實(shí)施的嫦娥四號探月任務(wù)架設(shè)的。

　　眾所周知，月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期相同，導(dǎo)致它只有一面對著地球，我們在地球上永遠(yuǎn)沒法直接看到月球背面。

　　而嫦娥四號的著陸器和月球車，就要在我們看不見的月球背面著陸。只有先架好了鵲橋，嫦娥四號到了月球背面之后，才不會(huì)跟我們失去聯(lián)系。

　　鵲橋號中繼星，將為前往月球背面的嫦娥四號著陸器和月球車，提供通信服務(wù)。圖片來源：chinaspaeceflight.com

　　去吧，到月球的背面去！

　　嫦娥三號任務(wù)成功后，備份星嫦娥四號就成了食之無味棄之可惜的雞肋。嫦娥四號和三號基本一樣，如果只是簡單重復(fù)三號的任務(wù)，就沒有太大的科學(xué)意義，但嫦娥四號著陸器已經(jīng)造好，要是放倉庫里閑置又實(shí)在可惜，怎么辦呢？

　　人類已經(jīng)進(jìn)行了多種多樣的月球探測，無論是環(huán)繞的軌道器、軟著陸的著陸器，還是在月面行駛的月球車都屢見不鮮，美國的阿波羅登月計(jì)劃更是6次載人登上月球，但月球背面始終是著陸和巡視探測的空白區(qū)。

圖片來源：pixabay

　　月球背面無法和地面直接通信，必須有中繼衛(wèi)星才能進(jìn)行實(shí)地探測，美國的阿波羅計(jì)劃曾提議發(fā)射中繼星并進(jìn)行月球背面著陸，但阿波羅計(jì)劃到17號任務(wù)就戛然而止，至于蘇聯(lián)和其他國家更是沒有再進(jìn)一步。

　　航天大國都放棄了，是不是月球背面沒什么科學(xué)價(jià)值呢？

　　恰恰相反：

　　美國國家研究理事會(huì)為重返月球的“星座計(jì)劃”提出了35個(gè)科學(xué)目標(biāo)，通過探測月球背面的南極-艾特肯盆地（SPA），這些目標(biāo)幾乎就能完全實(shí)現(xiàn)；SPA盆地是太陽系已知的最大最深最古老的撞擊坑，美國《2013-2022年行星科學(xué)十年調(diào)研》報(bào)告中，SPA盆地取樣也是名列前茅的目標(biāo)。

　　簡單地說，雖然月亮離我們不遠(yuǎn)，但月球背面著陸探測仍是科學(xué)探測的處女地！

　　面對這塊深空探測的洼地，中國當(dāng)然不會(huì)無動(dòng)于衷。

　　2015年6月，中國科學(xué)家參加聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì)（COPUS）舉辦的年度會(huì)議，展示了嫦娥四號任務(wù)方案并尋求國際合作，新方案核心內(nèi)容就是著陸月球背面。按照計(jì)劃，嫦娥四號將在2018到2019年發(fā)射，在月球背面進(jìn)行軟著陸和科學(xué)探測。

　　為了支持月球背面的著陸和探測活動(dòng)，方案中還增加了一顆中繼衛(wèi)星。中繼衛(wèi)星將單獨(dú)發(fā)射進(jìn)入地月L2點(diǎn)附近的暈（Halo）軌道，設(shè)計(jì)壽命可達(dá)3年以上，它自己也將攜帶科學(xué)儀器進(jìn)行探測。

　　4月24日，嫦娥四號的這顆中繼衛(wèi)星，被正式命名為鵲橋號。

　　鵲橋號中繼星將運(yùn)行在地月L2暈軌道上。

　　地月L2軌道最省事

　　鵲橋號中繼星將運(yùn)行在地月L2暈軌道上。

　　L2是地月系統(tǒng)的第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)，這是地月引力的平衡點(diǎn)之一。L2點(diǎn)位于月球的背后，到地球的距離超過40萬千米，比月球還要再遠(yuǎn)上6.5萬千米。

　　為什么鵲橋號要跑到這里來呢？

　　說起地球上的通信中繼，我們首先會(huì)想到同步軌道上的衛(wèi)星。對于自轉(zhuǎn)周期27.3天的月球來說，它的同步軌道高度約為8.8萬千米。這個(gè)位置距離月球?qū)嵲谔h(yuǎn)，超出了地月系統(tǒng)的L1和L2引力平衡點(diǎn)。

　　換句話說，月球同步軌道上的物體，受到地球引力的影響會(huì)大過月球引力對它的束縛，沒辦法和月球保持同步靜止。由于有地球的存在，同步軌道在月球上是行不通的。

　　地球常用的同步軌道在月球上就行不通了。圖片來源：pixabay

　　同步軌道不行，那么像最近頻頻炒作的星鏈和星座一樣，在月球低軌道部署中繼衛(wèi)星又如何呢？

　　這里倒是不存在被地球引力“帶節(jié)奏”的困擾，但單顆衛(wèi)星通信覆蓋范圍有限，為了保證對月球背面全時(shí)段通信覆蓋，必須發(fā)射很多衛(wèi)星組成星座才行。

　　要是未來建立永久性有人的月球基地，組建這么一個(gè)低軌中繼星座還說得過去，為一個(gè)無人探測器這么做，就實(shí)在小題大做了。

　　相比之下，地月L2軌道的優(yōu)勢就相當(dāng)明顯了。形象地說，月球位于中間，地球和地月L2暈軌道在兩邊。在L2軌道放一顆中繼星，就能為整個(gè)月球背面提供實(shí)時(shí)地對地通信，實(shí)在是省事省錢的好辦法。

　　地月系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)是地月引力的平衡點(diǎn)。圖片來源：LPI-JSC Center for Lunar Science and Exploration

　　難怪美國在阿波羅計(jì)劃的時(shí)代，就探討過用L2軌道中繼星支持登陸月球背面?，F(xiàn)在美國討論和實(shí)施的深空門戶站項(xiàng)目（DSG），也曾規(guī)劃運(yùn)行在地月L2軌道上，以便靈活地實(shí)施探月登月、小行星探測和前往火星的任務(wù)。

　　為了將鵲橋號布設(shè)到地月L2軌道，中國也做過準(zhǔn)備工作。嫦娥五號T1服務(wù)艙就曾在2014年11月27日進(jìn)入過環(huán)繞地月L2點(diǎn)的軌道，第二年的1月4日實(shí)施機(jī)動(dòng)脫離，其間還進(jìn)行了軌道維持，為鵲橋號的正常工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

　　嫦娥五號T1服務(wù)艙曾經(jīng)前往月球背面的地月L2點(diǎn)，為鵲橋號中繼星積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。這張地球（左上）和月球的合影，就是嫦娥五號T1在月球背面拍攝的。

　　鵲橋雖小，五臟俱全

　　嫦娥四號任務(wù)將實(shí)現(xiàn)世界上首次月球背面軟著陸，在工程和科學(xué)上意義非凡。鵲橋號中繼星也是人類第一個(gè)地月L2暈軌道的中繼星，將首次實(shí)現(xiàn)月球背面和地面站之間的遙測通信。

　　那么，這顆至關(guān)重要的中繼星長什么樣呢？

　　2016年底，中國空間技術(shù)研究院公開了鵲橋號中繼星的真面目。這是一顆CAST100平臺的小衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命5年，雖然只有425千克重，卻能自己調(diào)姿和變軌，還帶了一面直徑4.2米的大天線，能夠和地面進(jìn)行2M的高速通信，與嫦娥四號著陸器和巡視器的通信速度也能達(dá)到100k以上。

　　除了為嫦娥四號提供通信中繼以外，鵲橋號還有自己的探測使命。

　　鵲橋號將攜帶荷蘭-中國低頻探測器（NCLE），探測來自于早期宇宙的低頻射電輻射。由于鵲橋號位于月球軌道以外，遠(yuǎn)離地球的電離層，并且能夠阻擋來自地面的大量干擾信號，它將為低頻射電觀測提供一個(gè)絕佳的環(huán)境。