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嫦娥四號中繼星發射成功,現代“鵲橋”都有哪些亮點?


鵲橋號已經發射成功, 就等半年後它牽線搭橋啦!

5月21日05時28分, 我國在西昌衛星發射中心將嫦娥四號任務的開路先鋒, 中繼星“鵲橋”號送入太空, 它已經被成功送入近地點200公里、遠地點38萬公里的地月直接轉移軌道軌道, 並最終進入地月L2暈軌道, 承擔為年底發射的嫦娥四號探測器提供通信中繼的任務。 現代鵲橋搭起了地月之間數十萬公里的通信橋樑, 它個頭不大本事不小, 這次任務亮點可相當不少!

廉價火箭發射


嫦娥二號使用長征三號丙火箭發射, 第三級用氫氧燃料火箭價格嗖嗖的漲上去了

以往發射月球探測器, 我國都是用長征三號甲系列火箭, 比如嫦娥一號用長征三號甲火箭, 嫦娥二號用長征三號丙火箭, 而嫦娥三號更是用了運力最大的長征三號乙火箭。 這些火箭有一個共同點:它們的第三級都是氫氧發動機, 液氧液氫推進劑能量大發動機比沖高, 火箭運力也大, 不過一分錢一分貨價格也很貴。


鵲橋號中繼星使用長征四號丙火箭發射, 全常規燃料火箭價格便宜

這次發射“鵲橋”號中繼星, 我國使用了長征四號丙火箭, 這種火箭第三級同樣是常規的常溫燃料, 也就是偏二甲肼+四氧化二氮(UDMH+NTO)的組合。 雖然這對組合燃料成本比液氧煤油組合高好幾倍, 但要比液氧液氫燃料要低得多, 加上發動機和儲箱的簡化,

綜合成本比長征三號甲系列低到不知哪裡去啦。


鵲橋和兩顆龍江衛星加起來才半噸多, 選用長四丙火箭可謂物美價廉

當然, 長征四號丙火箭的運力也要低得多, 這次“鵲橋”號重量才448千克, 加上兩顆不到100千克的微衛星, 發射總品質加起來才半噸多。 這也是這次選用長四丙的重要原因, 用長三甲火箭大馬拉小車, 而且價格又那麼貴, 實在有些過分奢侈了。 除此之外, 這次任務也是西昌衛星發射中心首次發射長征四號丙火箭, 以往西昌主要發射長三甲系列火箭, 這次開了發射長四丙火箭的先河, 未來可能繼續在此發射這種廉價的老火箭, 物美價廉的發射高軌道衛星和深空探測器。

獨特的L2軌道


未來嫦娥四號要落到馮卡門撞擊坑,

科學價值很高但位於月球背面

今年年底發射的嫦娥四號著陸器將在月球背面著陸, 預定著陸點是位於南極-艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑, 新的玉兔月球車也將在此展開巡視探測, 這次任務也是人類首次著陸月球背面。


1959年月球3號發回的月球背面照片, 從此人類才第一次看到月宮背後的模樣

月球被地球引力潮汐鎖定, 只有一面對著地球, 我們也只能看到月球正面, 人類第一張月球背面照片, 都是1959年蘇聯月球3號飛掠後才拍到的。 月球本體遮擋了來自地球的信號, 地面通信天線只能和正面的探測器聯繫, 至於月球背面實在鞭長莫及。 當然, 對於環月飛行的嫦娥一號和二號來說,

月球遮擋影響不大, 對月球背面進行成像後, 飛到月球正面再和地球通信傳輸資料就是了, 但是對嫦娥四號著陸器就是大問題了。 月球背面沒法直接通信, 別說探測到什麼發不回來, 就是著陸成功與否都不知道啊。


地月L2的暈軌道是個不規則的三維曲線, 在這裡視野遼闊軌道維持開銷還低

地面上遇到信號遮擋, 我們會建起高塔中繼, 現代更有靜止軌道通信(中繼)衛星, 嫦娥四號必須有自己的中繼星, 那麼它放在哪裡呢?綜合考慮地月L2軌道是最好的選擇。 地月球統擁有5個拉格朗日點, L2位於地月連線另一端, 也是個引力平衡點, 在這裡探測器相對地球和月球靜止, 當然實際飛行是環繞L2點的“暈軌道”。


鵲橋在環繞地月L2的暈軌道上,

當起了嫦娥四號的接線員

所謂“暈”(Halo)借用了日暈和月暈的概念, 暈軌道是一個類似環形的三維不規則曲線, 受力仍然相對平衡, 因此維持L2暈軌道需要的燃料很少。 “鵲橋”位於L2暈軌道上, 可為整個月球背面提供中繼, 這個軌道實在得天獨厚。


鵲橋中繼星的發射和轉移, 可相當複雜呢

按照計畫, 經過4~5天飛行後, “鵲橋”號將飛到月面高度100公里的近月點, 利用月球引力進行變軌, 再經過21天的軌道調整最終進入繞月L2點軌道週期14天的暈軌道。 暈軌道的Z軸振幅高達1.3萬公里, 保證既不會受到月球遮擋又能為嫦娥四號提供即時的通信中繼。

鵲橋的真本事


鵲橋基於CAST100平臺, 外形很普通但天線很大

“鵲橋”號中繼星是保障嫦娥四號任務成功的關鍵, 是世界上第一課地球軌道外的專用通信中繼衛星,它的主要任務就是把嫦娥四號和月球車發現的科學數據傳回地球。嫦娥未動鵲橋先行,那麼它到底長什麼樣,又有哪些本領呢?嫦娥三號和四號是航太科技五院(空間技術研究院)研製,“鵲橋”同樣由五院研製,它使用五院的CAST100平臺,發射品質只有448千克,是一個長方體加太陽翼和天線的簡單結構。


地面上的鵲橋,它的天線展開可能有將近5米直徑,深空探測器天線數它最大!

我國已有的四個嫦娥系列探測器都不小,肯定有人心裡打鼓:這麼個小東西,在幾十萬公里外進行通信中繼,靠譜嗎?其實還真別小看它,“鵲橋”雖小但本領很強,它帶了一個直徑近5米的大型抛物面天線,這也是有史以來人類深空探測器帶的直徑最大的天線。什麼凱西尼號和新視野號啦,天線都沒它這麼大,現在你不擔心了吧。這麼大的高增益天線,長四丙整流罩放得下麼?這也不用擔心,它在地面和發射時是收攏,發射後才展開,這是常用的天線設計方式,美國的TDRS衛星和伽利略號探測器,都使用這樣的可展開式天線。


鵲橋通信速度不算太高,但深空探測領域算不錯了,,尤其是它只是一顆中繼星

“鵲橋”使用再生轉發模式,巨大的傘狀高增益天線用於對月中繼,同時配備了螺旋狀的中增益天線,為地球和月球背面的通信鋪設了一架橋梁。“鵲橋”號和地面的最高通信速率為2Mbps,如果分時工作改用大口徑傘狀天線,更可以提高到10Mbps,它和月球背面的嫦娥四號著陸器的最高通信速率為560kbps,對巡視器/月球車為280kbps。較真說起來它的傳輸速率實在不高,2Mbps對應最高每秒256k位元組的傳輸速率,560kbps更是只有70k位元組每秒,比我們日常上網的速度慢得多,但放在太空中尤其是作為一顆中繼星,它足以滿足嫦娥四號任務的需求了。

和小夥伴搞科研

“鵲橋”號中繼星5月21日發射,它大約25天后進入地月L2暈軌道,但它的服務物件嫦娥四號可要等今年12月才發射,不過“鵲橋”並不孤單,它也有兩個小夥伴:來自哈工大的龍江一號和龍江二號。


4月24日中國航太日上,同時公佈了鵲橋和龍江的命名

龍江雙星總重量91千克,它們主要搭載超長波射電探測儀器,它們和火箭分離後獨立變軌進入300X3000公里的繞月橢圓軌道,並進行月球軌道上的編隊飛行,開展超長波天文干涉測量工作,太陽和系內行星超長波射電活動觀測等探索性研究。


龍江發射後將自主變軌,在繞月橢圓軌道上編隊飛行

值得一提的是,其中一顆龍江衛星還將攜帶沙烏地阿拉伯研製的微型光學相機,進行地月空間成像。用不了多久,我們就能看到來自沙特的地月照片了,這還真是刷新了人們對“油霸”的認識。


荷蘭的NCLE低頻射電儀探測超長波低頻輻射,也就是鵲橋上那三根各5米長的“探針”

小夥伴們都如此給力,“鵲橋”號自然也要大顯身手,它攜帶了荷蘭科學家提供的低頻射電探測儀(NCLE),進入軌道後3根低頻天線展開,每根都由5米長,比龍江的低頻探測能力強多了,它除了探測太陽系和銀河系內產生的低頻射電輻射,還用於觀測21釐米氫譜線,探索宇宙大爆炸早期黑暗時代的奧秘。“鵲橋”上還帶有17釐米直徑,重量1.7千克的角錐反射鏡,用於進行高精度的鐳射測距,這也是世界上第一次實現超越地月距離的純反射式鐳射測距實驗。

是世界上第一課地球軌道外的專用通信中繼衛星,它的主要任務就是把嫦娥四號和月球車發現的科學數據傳回地球。嫦娥未動鵲橋先行,那麼它到底長什麼樣,又有哪些本領呢?嫦娥三號和四號是航太科技五院(空間技術研究院)研製,“鵲橋”同樣由五院研製,它使用五院的CAST100平臺,發射品質只有448千克,是一個長方體加太陽翼和天線的簡單結構。


地面上的鵲橋,它的天線展開可能有將近5米直徑,深空探測器天線數它最大!

我國已有的四個嫦娥系列探測器都不小,肯定有人心裡打鼓:這麼個小東西,在幾十萬公里外進行通信中繼,靠譜嗎?其實還真別小看它,“鵲橋”雖小但本領很強,它帶了一個直徑近5米的大型抛物面天線,這也是有史以來人類深空探測器帶的直徑最大的天線。什麼凱西尼號和新視野號啦,天線都沒它這麼大,現在你不擔心了吧。這麼大的高增益天線,長四丙整流罩放得下麼?這也不用擔心,它在地面和發射時是收攏,發射後才展開,這是常用的天線設計方式,美國的TDRS衛星和伽利略號探測器,都使用這樣的可展開式天線。


鵲橋通信速度不算太高,但深空探測領域算不錯了,,尤其是它只是一顆中繼星

“鵲橋”使用再生轉發模式,巨大的傘狀高增益天線用於對月中繼,同時配備了螺旋狀的中增益天線,為地球和月球背面的通信鋪設了一架橋梁。“鵲橋”號和地面的最高通信速率為2Mbps,如果分時工作改用大口徑傘狀天線,更可以提高到10Mbps,它和月球背面的嫦娥四號著陸器的最高通信速率為560kbps,對巡視器/月球車為280kbps。較真說起來它的傳輸速率實在不高,2Mbps對應最高每秒256k位元組的傳輸速率,560kbps更是只有70k位元組每秒,比我們日常上網的速度慢得多,但放在太空中尤其是作為一顆中繼星,它足以滿足嫦娥四號任務的需求了。

和小夥伴搞科研

“鵲橋”號中繼星5月21日發射,它大約25天后進入地月L2暈軌道,但它的服務物件嫦娥四號可要等今年12月才發射,不過“鵲橋”並不孤單,它也有兩個小夥伴:來自哈工大的龍江一號和龍江二號。


4月24日中國航太日上,同時公佈了鵲橋和龍江的命名

龍江雙星總重量91千克,它們主要搭載超長波射電探測儀器,它們和火箭分離後獨立變軌進入300X3000公里的繞月橢圓軌道,並進行月球軌道上的編隊飛行,開展超長波天文干涉測量工作,太陽和系內行星超長波射電活動觀測等探索性研究。


龍江發射後將自主變軌,在繞月橢圓軌道上編隊飛行

值得一提的是,其中一顆龍江衛星還將攜帶沙烏地阿拉伯研製的微型光學相機,進行地月空間成像。用不了多久,我們就能看到來自沙特的地月照片了,這還真是刷新了人們對“油霸”的認識。


荷蘭的NCLE低頻射電儀探測超長波低頻輻射,也就是鵲橋上那三根各5米長的“探針”

小夥伴們都如此給力,“鵲橋”號自然也要大顯身手,它攜帶了荷蘭科學家提供的低頻射電探測儀(NCLE),進入軌道後3根低頻天線展開,每根都由5米長,比龍江的低頻探測能力強多了,它除了探測太陽系和銀河系內產生的低頻射電輻射,還用於觀測21釐米氫譜線,探索宇宙大爆炸早期黑暗時代的奧秘。“鵲橋”上還帶有17釐米直徑,重量1.7千克的角錐反射鏡,用於進行高精度的鐳射測距,這也是世界上第一次實現超越地月距離的純反射式鐳射測距實驗。

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