地月間再添信使

新華社 才揚 攝

科普時報記者 侯 靜

5月21日，記者從中國國家國防科技工業局、國家航天局獲悉，北京時間當天5時28分，中國在西昌衛星發射中心用長征四號丙運載火箭，成功將探月工程嫦娥四號中繼星鵲橋號發射升空。同時升空的，還有實驗微衛星龍江一號和龍江二號，將在進入環繞月球的飛行軌道後，開展超長波射電天文觀測實驗。

鵲橋號中繼星是世界首顆運行於地月拉格朗日L2點的通信衛星，將為年底擇機實施的嫦娥四號月球探測任務提供地月間的中繼通信。它將在能同時被月球背面和地球看到的位置上值班，作為嫦娥四號著陸器和地球之間的信使傳遞信息。

2013年12月，嫦娥三號任務圓滿完成我國首次地外天體軟著陸和巡視勘察之後，國防科工局組織開展了嫦娥四號任務實施方案調整的論證工作。綜合考慮國際前沿、科學價值、經濟和技術可行性等因素，最終確定了月球背面軟著陸和巡視勘察的總體方案。

意味深遠的「地月傳書」

一聽「鵲橋」這樣浪漫的名字，人們可能會聯想到我國另一項航天工程：嫦娥。嫦娥探月，名字同樣浪漫。而「鵲橋」承擔的任務，正是「地月傳書」，讓計劃在下半年發射的嫦娥四號和地面指揮中心之間保持通信暢通——讓地面指揮中心接收到嫦娥四號發來的信息，同時也讓嫦娥四號聽地面指揮中心的話。

「鵲橋」二字很浪漫，它來源於牛郎織女的民間傳說——每年七夕，各地喜鵲都會在銀河上架起橋樑，供他們相聚。那麼這顆中繼星將在地月之間架起一座怎樣的橋樑？

嫦娥四號任務的難點之一，就是由於受到月球自身的遮擋，著陸在月球背面的探測器無法直接實現與地球的測控通信和數據傳輸。據中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁介紹，鵲橋號星如其名，是一座傳輸信號與數據的「橋樑」，「距離月球近8萬公里，距離地球約48萬公里，在這個位置上，它既可以對月球背面進行通信，又可以和地球之間進行通信，所以我們起名叫鵲橋。」

雖然鵲橋號只有幾百千克，但通過它，地面測控站和未來將落在月球背面的嫦娥四號探測器之間能夠進行安全穩定的信息通信，包括圖片、視頻等，數據鏈路有高頻的，有中低頻率的，有實時轉發的，也可以相對滯後一點轉發等多種方式。

超長波觀測的「獨步起舞」

天文觀測始於可見光，但人類認識到光卻是一種電磁波後，就開始嘗試在電磁波的不同頻段進行天文觀測。每開闢一個新的頻段，人們往往會發現一些全新的天體或天文現象。然而，還有一個波段迄今仍幾乎空白，這就是頻率為30MHz以下的超長波波段。龍江一號和龍江二號微衛星將環繞月球飛行，當它們飛到月球背面時，就開機進行觀測，並將數據一一記錄下來；當飛到月球正面時, 再將數據傳回地球，為探測月球超長波提供了十分絕佳的機會。

每顆龍江微衛星可以單獨進行超長波觀測。由於龍江一號和龍江二號微衛星上各配有兩套天線，每套均由三根互相垂直的鞭狀天線組成，可以同時測量不同偏振的電波。這些天線每根長1米，發射前像捲尺一樣收攏起來，衛星進入正常軌道後，地面發出指令，展開這些天線。電波被天線收到後，經過接收機的放大處理後轉換成數字信號，形成每一時刻電磁輻射的頻譜並記錄下來。

龍江計劃觀測的電波的最短波長是10米，最長波長是300米，而龍江微衛星的天線長度遠遠短於觀測的波長，將嘗試首次開展空間干涉觀測。為此，兩顆微衛星將沿著同一軌道一前一後繞月飛行，距離一般在1~10公裡間。在繞到月球正面時，它們將觀測數據發送到地面，並利用這一微波系統實現兩星的測距和時間頻率同步。另外，B星上裝有LED燈，A星上則配有測角相機，用於測定相對方位。

中科院國家天文台研究員陳學雷稱，這只是環月超長波天文觀測的第一步，主要是一種技術驗證，為將來更大規模、專用的超長波觀測陣列做好準備。由於龍江衛星僅僅是「蹭車」——搭載實驗，能搭載的儀器和推進劑很有限，衛星軌道也比較粗放，難以經過精細調節進入離月球面比較近的圓形軌道，而是一條大橢圓軌道。軌道近地點距離月球大約300公里，遠地點約9000公里，繞月一周所花的時間是大約13小時；由於衛星上的太陽能電池就比較小，在每一圈繞轉中只有大約10分鐘可用於觀測，20分鐘用於數據傳輸，數據傳輸率較低，只能把很少一部分數據傳回地球。

月球背部著陸的「歷史奇觀」

由於月球繞軸自轉的周期與繞地球公轉的周期相同，都是27.3天，所以幾十億年來月球總是以同一面對著地球，人們只能看到月貌的59%。那麼嫦娥四號在月球背部著陸，都有哪些科學意義和工程意義？

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