鵲橋深空扮月老 地月姻緣萬里牽——專訪鵲橋號總師助理王鵬
近日，我國在西昌衛星發射中心運用長征四號丙運載火箭，成功將探月工程嫦娥四號任務鵲橋號中繼星發射升空。鵲橋號中繼星作為世界首顆長期運行於地月拉格朗日L2點的通信衛星，將為年底實施的嫦娥四號月球探測任務架設地月間的通信橋樑，以「鵲橋」為通信中繼點，實現月球背面與地面之間的通信。
圖片來自網路
哇，看來祖國的探月計劃又向前飛躍了一大步，真是酷斃啦！那麼，鵲橋號究竟是如何誕生，又承擔了哪些功能和作用呢？為此，小石頭採訪了本次鵲橋號中繼星論證組專家王鵬總師助理，挖掘到關於鵲橋號的N多「內部爆料」。
Q
A
小石頭
石頭科普工作室記者
王鵬
鵲橋號總師助理
小石頭
鵲橋號這個名字真好聽，請問它是如何誕生的？又蘊含了什麼意義呢？
這個名字主要由國防科工局探月中心組織發起，在相關研究單位內部發起征名活動，最終確定了「鵲橋」這個名字。這個名字的意義，第一是言簡意賅的描述出中繼星的特點，第二也符合我們中國的特色。鵲橋的鵲代表的就是月亮，橋剛好清楚表達了中繼星的功能，另外鵲橋還是傳統文化中一個耳熟能詳的辭彙，我想，應該是從這幾個方面來考慮。
王鵬老師
瞧，這就是鵲橋號的大致模樣！
圖片來自網路
小石頭
我們知道，鵲橋號中繼星是世界首顆長期運行於地月拉格朗日L2點的中繼通信衛星，您作為參與者之一，是懷著怎樣的心情看待它的升空呢？
*★,°*:.☆(￣▽￣)/$:*.°★* 。
裝載著「鵲橋」號的長征四號發射成功。圖片來源：央視網
非常激動。月球是我國深空探測任務的第一站，我國探月任務的飛行器重量一般在2噸~3噸，而「鵲橋」中繼星的重量是440公斤左右，可以說它是我們國家首顆執行深空探測任務的「小衛星」，所以感到很激動。
王鵬老師
小石頭
哇，零的突破耶，真的超級棒！小石頭我要給科學家和工程師們獻上一個大寫的贊！
Emmmm，那麼請問小衛星與大衛星相比有什麼樣的區別呢？發射小衛星有沒有什麼技術上的困難？
衛星主要以重量來區別大小。目前國際上沒有統一的定義，我國習慣上以1噸區分大小衛星。小衛星執行深空任務的主要技術困難是在總重約束下如何實現軌道轉移。你可以想像，一個重量大約是賓士SMART車一半的小傢伙，要實現40萬公里的旅行，而且還要定點實現月球中繼通信功能。這件事對工程師來講是一個很大的挑戰。
王鵬老師
小石頭
鵲橋號發射後接下來將會抵達地月系統的L2點，您能介紹一下它在技術上是怎樣實現抵達這一點並停在這裡穩定運行的嗎？
鵲橋號中繼星將運行在地月L2暈軌道上 圖片來自網路
好的，一般來講，我們現在奔月比較成熟的轉移方式分為三種，一、直接轉移，二、快速轉移，三、低能轉移。它們的主要區別就是轉移時間和燃料代價是不一樣的，我們這顆小衛星綜合考慮測控的代價還有衛星的轉移能力後，選擇了快速轉移的方式。基本上從發射到入軌，也就是到L2點暈（Halo）軌道大概需要七天左右時間。
快速轉移過程中有三個關鍵點：
第一是奔月，其主要目的是將「鵲橋」號送入地月轉移軌道。這一步主要由火箭完成。火箭將衛星打到近地200公里，遠地38萬公里左右的地月轉移軌道，使衛星達到一個相對高的速度（每秒10公里左右）。第二個關鍵點是近月制動。其主要目的是將「鵲橋號」脫離地月轉移軌道並調整衛星軌道面。衛星在接近月球的時候，會巧妙地利用月球引力以最小的燃料代價實現這一目標。近月制動完成後，它就會直接奔向最終的地月L2點暈軌道。當衛星以一個比較快的速度到達某一點的時候，我們通常會要用剎車這種方式來將其停留在設計位置，這就是第三個關鍵點，入軌。如果能正常剎車，「鵲橋」號就會進入我們預先設計的使命軌道。整個地月轉移的過程基本就是這三個關鍵點。
入軌後的「鵲橋」號，還要完成最後一道工序。需要根據我們地面測控系統測定的軌道數據，完成一次軌道精修，大概需要十四天左右。因此我們大概在6月20號左右會完成整個的入軌和穩定工作。
「鵲橋」號即將在地月L2點上的運行軌道叫暈(Halo)軌道，它是由美國的軌道設計大神法庫首先設計並命名的。Halo英文意思就是光暈，當人從地球向月亮方向望去，「鵲橋」號的軌道就像月球的光暈一樣圍繞著月球。與地球的平面軌道不同，Halo軌道是一個三維立體的軌道，設計師們把這個軌道形象地稱作豬腰子軌道。這樣的軌道必須進行間斷維持才能穩定運行。
物理上，平衡點又可分為穩定平衡點和不穩定平衡點。若將碗正放，碗底放一個小球，無論如何對小球施力，小球都會自動落回碗底，這樣的點叫穩定平衡點。將碗倒扣，再放小球，任何施力都將使小球遠離碗頂，並不再回來，這樣的點叫不穩定平衡點。L2點是地月引力的不穩定平衡點。在此點的衛星將會受到太陽的光壓和其他的微小攝動。這種微小攝動會引起衛星逐漸飄離我們的設計軌道。所以，必須採取一定的維軌措施來保持穩定運行。
王鵬老師
拉格朗日點示意圖L2點是地月引力的平衡點
圖片來自東方紅衛星有限公司
小石頭
這就意味著即使鵲橋號到達了L2平衡點，它依然要受到相當程度的擾動，之後我們仍需要不斷的追蹤並調整它啰？
對
王鵬老師
小石頭
啊，看來還需要科學家們跟在屁股後面不斷的糾偏啊，它可真是個淘氣的傢伙呢！
那麼鵲橋號是依靠它自身攜帶的燃料來運行嗎？
「鵲橋」號是依靠化學推進實現軌道機動和維持的。衛星內部設計有一個大的燃料儲箱，專門儲備燃料。我們在發射前會把燃料注入儲箱，隨著衛星發射升空。衛星利用這些燃料完成軌道機動以及長期軌道維持。
王鵬老師
小石頭
啊，原來是身上背了一個儲備箱啊，怪不得元氣滿滿。小石頭我也有一個喔(っ′ω`c) 摸肚肚~
那這個燃料夠鵲橋號在太空中維持多長時間呢？
這是個很好的問題，「鵲橋」的壽命主要取決於燃料。針對這樣一條特殊的Halo軌道，相同的燃料使用不同的維持方法，會有不同的壽命周期。「鵲橋」的設計壽命是三年，但我們工程師會設計多個方案來試驗，最終確定一個最佳維持方案，來同時滿足軌道精度和延長壽命兩個互相衝突的需求。由於「鵲橋」是世界首個長期維持在L2點的飛行器，因此我們的維持方案也將是世界首創哦！
王鵬老師
小石頭
哇，雙料冠軍，好了不起！
唔，真的很好奇，鵲橋號作為一顆小衛星，攜帶的是什麼樣的燃料呢？這種燃料有什麼特殊優勢嗎？
我們這次衛星使用的燃料是比較成熟的無水肼。燃料的應用是講究體積密度比的，而肼的分子量比較大，這種燃料也是目前衛星通用的一種燃料。
王鵬老師
小石頭
請問鵲橋號之於嫦娥四號發揮著哪些作用？它在進行與地球通信的信息傳輸過程中會有時間差嗎？
鵲橋號會在嫦娥四號著陸過程中起到一個輔助作用，它會將著陸過程中的一些遙測信息傳遞迴地球，供地球做一個監視和測量。當嫦娥四號著陸之後，它會發揮它的最重要作用，就是把一些很重要的科學數據傳遞迴地球。這也是它最核心的功用。至於說地球到月球的傳輸延遲，我們現在設定在10秒之內，這顆中繼星距離地球大概在40萬公里左右，這樣光速的傳播延遲也就在一點幾秒。考慮到其他因素，我們把信號傳遞迴地球的時間限定在10秒之內。
王鵬老師
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。圖片來源:chinaspaeceflight.com
小石頭
那麼，鵲橋號相比於其他的中繼衛星有什麼創新點嘛？
鵲橋號衛星的創新點主要有兩個。第一，它的位置是一個創新點。它是在地月L2點，在這個點上目前為止世界上還沒有長期運行的衛星，我剛才說了，它是很容易跑偏的，所以維持長期穩定運行是一項很重要的技術，我們應該也是做到世界上首次長期在地月L2點上穩定運行一顆飛行器的國家。我剛才也已經介紹過，要想讓這個衛星的壽命變長，更有利用價值的話，你就要在這個空間軌道的維持方法上進行創新，這也是我們後續要做的一些工作。我們希望用相同的燃料，來實現更長的壽命，這樣的技術，對我們未來深空中繼的建網會起到一個非常好的作用。相當於提高了性價比。第二個創新是它的傘天線。為了克服遠距離通信的問題，我們在上面安裝了可展開傘天線。這個傘天線是世界深空探測領域迄今為止最大的天線，口徑4.2米，重量僅為50公斤左右，非常輕。所以這樣一項技術也為我們未來深遠空探測任務的通信提供了技術保障。它的主要創新點來自這兩個方面。
王鵬老師
小石頭
哇哦，看來鵲橋號在創新方面也是開創了先河呢!
我們了解到，鵲橋號同時還承擔了一些科學任務，請王老師您為我們簡單介紹一下吧。
主要承擔了兩項科學任務，也是比較新的任務。
一是低頻射電觀測，這個任務是我們與歐空局合作的一個科學任務。它的主要目的是觀測宇宙微波輻射背景。這種微波輻射在宇宙誕生之初就已形成。通過這種觀測，我們可以了解整個宇宙誕生的過程，這對我們理解宇宙的形成具有很重要的意義。
另外一個科學項目是地月測距實驗。我國的中山大學在衛星上安裝了一個激光反射器，雲南天文台將擇機進行地月激光測距試驗，如果成功，也就是世界上最遠的激光測距實驗了。這個技術的主要目的是為中山大學未來在空間探測引力波的「天琴計劃」提供一個關鍵技術的驗證。大致是這樣。
王鵬老師
小石頭
嗯嗯，好噠！謝謝王老師接受小石頭的採訪，太感謝啦！
怎麼樣，通過這番介紹，您也和小石頭一樣，對鵲橋號的了解大大增加了嗎？
在此，小石頭也預祝嫦娥四號發射成功，祖國的航天事業蒸蒸日上！
石頭博士
看完上面的採訪，估計大家有些不懂的名詞呢，現在就讓石頭博士我給大家科普一下吧~！
拉格朗日點
圖片來自網路
拉格朗日點，又稱平動點，在天體力學中是限制性三體問題的五個特解。拉格朗日點的提出者是被譽為18世紀歐洲最偉大數學家的拉格朗日。他的一生在數學、物理和天文領域都作出了重要貢獻，其中之一就是系統性地提出了平面圓形限制性三體問題中的五個特殊解。
三體問題研究的是三個可以被當作質點的物體，在給定任意初始條件時，在萬有引力的驅使下的運動規律。如果三體中一個物體的質量遠遠小於另外兩個物體，它的引力對另外兩個物體的軌道影響可以忽略不計，這種特殊情況就叫做限制性三體問題。拉格朗日認為，如果兩個質量較大的天體A和B以圓軌道互相繞轉，求解一個相對質量可以忽略不計的第三個物體C的運動規律時，會存在五個特殊位置。把C放在這些位置上時，A、B、C三者的相對位置不變。這五個位置就是拉格朗日點。本次鵲橋號將要停留的L2點是地月系統的第二個拉格朗日點，它是地月引力的平衡點之一。L2點位於月球背後，距地球超過40萬千米，比地月距離還要再遠上6.5萬千米。
作者：馬夢黎
採訪：周冬媛、馬夢黎
責編：黃澤森、馬夢黎
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