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3月20日，探月四期后續(xù)工程的“關(guān)鍵一環(huán)”——鵲橋二號(hào)中繼星由長(zhǎng)征八號(hào)遙三運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)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(hào)中繼星直接送入近地點(diǎn)高度200公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度42萬公里的預(yù)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(diǎn)有哪些？讓我們來展開說明一下。

1、長(zhǎng)八遙三，厲害在哪？

鵲橋二號(hào)中繼星所選用的長(zhǎng)征八號(hào)運(yùn)載火箭是我國新一代運(yùn)載火箭成員，是一型面向國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)研制的中型低溫液體運(yùn)載火箭。此次發(fā)射是長(zhǎng)征八號(hào)運(yùn)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(shí)，本次發(fā)射任務(wù)也將使其成為繼長(zhǎng)征三號(hào)甲、長(zhǎng)征三號(hào)丙、長(zhǎng)征三號(hào)乙、長(zhǎng)征四號(hào)丙和長(zhǎng)征五號(hào)之后，我國的第六型執(zhí)行深空發(fā)射任務(wù)的運(yùn)載火箭。

長(zhǎng)征八號(hào)是一型基于“模塊化、組合化、系列化“思路研制的液體運(yùn)載火箭。該箭芯一級(jí)和助推器模塊與長(zhǎng)征七號(hào)對(duì)應(yīng)模塊相同，使用了推力較大、成本較低的液氧煤油動(dòng)力；芯二級(jí)則繼承了長(zhǎng)征三號(hào)甲系列的氫氧末級(jí)模塊，兼收了氫氧動(dòng)力的高效率優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)征八號(hào)的模塊化還體現(xiàn)在其包含基本型和單芯級(jí)兩種構(gòu)型?；拘筒捎脙杉?jí)半構(gòu)型，由芯一級(jí)、芯二級(jí)和兩枚助推器構(gòu)成，基本型去掉助推器則形成單芯級(jí)構(gòu)型。

長(zhǎng)八遙三為采用兩級(jí)半構(gòu)型的基本型，最大高度50.34米，一級(jí)直徑3.35米、二級(jí)直徑3米、助推器直徑2.25米，最大起飛質(zhì)量356噸。火箭芯一級(jí)配備2臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，單枚助推器配備1臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，芯二級(jí)配備2臺(tái)YF-75氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力約480噸。其運(yùn)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(zhǎng)征八號(hào)火箭是我國第一枚通過數(shù)學(xué)建模與仿真來獲取全箭動(dòng)特性參數(shù)的大中型液體火箭。傳統(tǒng)火箭在研制時(shí)都會(huì)進(jìn)行全箭模態(tài)試驗(yàn)，用實(shí)物試驗(yàn)獲取飛行中火箭的動(dòng)特性參數(shù)。而長(zhǎng)征八號(hào)通過采用虛實(shí)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(biāo)志著我國運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)和制造水平的顯著提升。

長(zhǎng)征八號(hào)在發(fā)射時(shí)的一大看點(diǎn)就是其一級(jí)飛行段的主動(dòng)減載。長(zhǎng)征八號(hào)在結(jié)構(gòu)特征上呈現(xiàn)出“大腦袋、細(xì)脖子”的特點(diǎn)，整流罩較大，其下面的二子級(jí)箭體則相對(duì)細(xì)長(zhǎng)。這樣的外形對(duì)外界橫風(fēng)干擾更加敏感，如果沒有主動(dòng)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(zhǎng)征八號(hào)的飛行軌道設(shè)計(jì)，火箭將在一、二級(jí)分離前通過南海上空稠密大氣層，西向的大風(fēng)將對(duì)火箭飛行形成垂直作用力，對(duì)二子級(jí)施加不利的橫向載荷。為此，長(zhǎng)征八號(hào)火箭通過自適應(yīng)減載控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)100%的推力降到77.5%，使得作用在箭體上的動(dòng)壓減少一半，保證了輕質(zhì)貯箱結(jié)構(gòu)對(duì)不確定風(fēng)場(chǎng)的適應(yīng)性，安全通過“危險(xiǎn)地帶”。

2、“鵲橋”還在任，“鵲橋二號(hào)”又上崗，兩兄弟并肩作戰(zhàn)更高效

說起鵲橋二號(hào)所要承擔(dān)的月面中繼通信任務(wù)，想必大家不會(huì)過于陌生，因?yàn)樵?018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(hào)月背探測(cè)任務(wù)進(jìn)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(cè)器的直接通信受到月球自身的遮擋而無法進(jìn)行，因此執(zhí)行月球背面探測(cè)任務(wù)的探測(cè)器必須依賴中繼衛(wèi)星與地球建立聯(lián)系。

2019年嫦娥四號(hào)探測(cè)器傳回的月背影像圖像。圖片來源：新華社

相比于鵲橋號(hào)，鵲橋二號(hào)中繼通信衛(wèi)星在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，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(jì)壽命8年，比其前輩整整多了3年。

鵲橋二號(hào)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(shí)折疊，進(jìn)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(cè)器進(jìn)行通信，繼承自鵲橋號(hào)，指向控制精度優(yōu)于0.03°。

鵲橋二號(hào)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(cè)控用的S波段天線，以及與探測(cè)器聯(lián)系的特高頻（UHF）中繼天線。這些天線確保鵲橋二號(hào)除了能夠?qū)⑻綔y(cè)器獲得的數(shù)據(jù)和信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)回地球，還向探測(cè)器轉(zhuǎn)發(fā)地面上行的各種指令。

鵲橋二號(hào)首個(gè)“服務(wù)對(duì)象”——嫦娥六號(hào)計(jì)劃落點(diǎn)在月球背面南極地區(qū)的艾特肯盆地，緯度高達(dá)88度，極為接近月球南極點(diǎn)。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(diǎn)暈軌道，對(duì)低緯度地區(qū)通信時(shí)長(zhǎng)尚能保證，但對(duì)高緯度就顯得稍有不足了。因此鵲橋二號(hào)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(diǎn)高度200公里左右，遠(yuǎn)月點(diǎn)16000公里左右，遠(yuǎn)月點(diǎn)位于月球南極的一側(cè)，相比于“前輩”更加靠近于月面探測(cè)器。

（圖片來源：央視新聞）

也許有人會(huì)問：如果鵲橋二號(hào)只能在接近月球南極上空時(shí)才行實(shí)現(xiàn)中繼，那么在這段保持通信的時(shí)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(zhǎng)的中繼通信時(shí)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(cè)器保持一個(gè)足夠長(zhǎng)的通信弧段。而處于拉格朗日L2點(diǎn)的鵲橋號(hào)盡管理論上對(duì)于月背全時(shí)可見，但是月球南極附近與其通信時(shí)，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(jìn)劑極少，從而保證了衛(wèi)星更長(zhǎng)久的使用壽命。

別忘了，“鵲橋二號(hào)”這次出征還帶著兩位“保鏢”——天都一號(hào)、天都二號(hào)通導(dǎo)技術(shù)試驗(yàn)星。雙星將隨“鵲橋二號(hào)”月球中繼衛(wèi)星一同進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，擇機(jī)分離后，將編隊(duì)飛行于環(huán)月大橢圓凍結(jié)軌道，開展導(dǎo)航系統(tǒng)空間基準(zhǔn)異源標(biāo)定、通信系統(tǒng)高可靠傳輸與路由轉(zhuǎn)發(fā)、通信測(cè)距一體化調(diào)制等新技術(shù)驗(yàn)證。

鵲橋二號(hào)還搭載了極紫外相機(jī)、陣列中性原子成像儀、地月VLBI系統(tǒng)等一系列先進(jìn)設(shè)備，這些設(shè)備將助力科學(xué)家們深入探究月球背面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)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(hào)的發(fā)射只是個(gè)開始，從更長(zhǎng)遠(yuǎn)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(hào)任務(wù)完成后，鵲橋二號(hào)將會(huì)擇機(jī)調(diào)整軌道，從而為嫦娥七號(hào)、嫦娥八號(hào)以及后續(xù)月球探測(cè)任務(wù)提供服務(wù)。此外，鵲橋二號(hào)還要接力鵲橋號(hào)，為在月球背面執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的嫦娥四號(hào)和玉兔二號(hào)提供中繼通信服務(wù)。

在今年初的第74屆國際宇航大會(huì)（IAC）上，我國透露了后續(xù)將開展發(fā)射鵲橋三號(hào)系列衛(wèi)星與鵲橋二號(hào)組網(wǎng)的任務(wù)。先在環(huán)月球空間和地月拉格朗日點(diǎn)組成航天器中繼網(wǎng)絡(luò)，后期根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行擴(kuò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)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(dòng)科研站的建設(shè)進(jìn)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(cè)等的深空探測(cè)任務(wù)，均需要后續(xù)中繼星的通信支持。在整個(gè)鵲橋星座建設(shè)之后，我國將實(shí)現(xiàn)深空通信，不僅是月球上面具有信號(hào)，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(hào)，通過高速激光鏈路提供信號(hào)。

九天攬?jiān)拢?mèng)蒼穹。時(shí)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(yuǎn)航 北京宇航系統(tǒng)工程研究所高級(jí)工程師

審核：劉勇 中國航天科普大使，中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)主任，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司

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