编辑丨苏木
文丨苏木
本文陈述所有内容皆有可靠信息来源,赘述在文章结尾
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西方多国耗了几十年,砸进去无数真金白银,连美国砸上千亿都没能啃下这块硬骨头。
这道被称为世纪难题的坎,让全球科研界都犯了难。
可谁也没想到,中国只用对方零头的投入,就实现了突破。
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这背后藏着怎样的智慧?又将改写什么格局?
月背为啥成了通信盲区
想探月背,第一步就得解决联系不上的问题,这就像两个人隔着一堵厚厚的水泥墙喊话,再大声也白搭,月球就是这堵挡路的大墙。
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探测器落在月背,发的信号被月球挡住,地球收不到,地面想发控制指令,也送不到探测器手上。
早在上世纪美国阿波罗计划时期,科学家就想过攻克这个难题,可一算成本太高,技术难度也扛不住,最后只能放弃。
中国航天人想了个绕路的聪明办法:在地球和月球之间架一座通信桥,这桥就是鹊桥中继卫星,它的任务就是站在一个能同时看到地球和月背的位置,当中间的传话筒。
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这个位置可不好找,最后科学家选中了地月之间的黄金位置——拉格朗日L2点,就在地球和月球连线的外侧,距离月球约6.5万公里。
这个点是引力平衡点,卫星在这待着最省能量,但它不是静止的安乐窝,更像个需要不停调整姿势才能站稳的马鞍。
在太空跳芭蕾稳站C位
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为了在L2点站稳脚跟,鹊桥不能原地不动,得走一条特殊的太空芭蕾步——晕轮轨道。
这种轨道不是圆形或椭圆形的闭合轨道,而是像扭曲的薯片边缘那样的三维曲线,每绕一圈轨迹都不一样,稍微跑偏一点就会出问题。
再加上太阳引力的干扰,鹊桥必须时刻警惕,精准调整自己的位置。
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这就靠它的动力心脏:100公斤无水肼推进剂,一种油状的推进燃料,不用带笨重的氧化剂,一点火就能产生推力。
卫星上装了4台20牛顿的主发动机,专门用来大幅度调整轨道,还做了备份设计,就算两台坏了,剩下的也能完成任务。
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另外还有12台5牛顿的小推力器,负责微调姿态,就像定海神针一样把卫星稳住,靠着这些动力装置,鹊桥在两年里一共做了74次精准的轨道调整,稳稳当当完成了通信任务。
4.2米巨伞捕捉微弱信号
解决了站稳的问题,接下来要搞定听清楚,月背上的嫦娥四号和玉兔二号,发射功率就像我们平时用的民用对讲机那么大,信号要穿过约7.9万公里的深空才能到鹊桥这里,早就弱得快没了。
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想让月球车带个大天线不现实,工程师就把4.2米的巨伞天线装在了鹊桥上——这可是人类深空探测史上最大口径的通信天线,能把微弱的信号放大数万倍。
这么大的天线,怎么塞进火箭里?设计师想了个刚柔并济的办法:用粗伞骨搭好骨架,反射面不用沉重的金属板,改用极轻的柔性金属网。
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只要网眼比无线电波的波长小,就能反射信号,发射时,这把巨伞被折成1米粗的小捆,进入太空后再自动弹开。
而且展开后的精度要控制在毫米级,不然信号就会像散光一样散开,根本收不到。
精度堪比千米打硬币
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这把巨伞天线虽好用,但有个苛刻要求:指向必须特别准,偏差不能超过0.2度,不然就收不到信号。
可鹊桥在晕轮轨道上,卫星、地球、月球都在不停动,给天线装转向装置会增加重量,还容易出故障。
最后工程师想了个硬核办法:不转天线,转卫星!
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让整个卫星像芭蕾舞者一样精准旋转,用身体对准地球和月背,这种整星零动量控制技术,能实现对地、对月的精准指向和跟踪。
为了实现这种高精度旋转,卫星装了激光陀螺来检测角度变化,还有星敏器——就像自动找星星的望远镜,通过比对恒星的位置来校准姿态。
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刚进入轨道时,地面的65米射电望远镜还当起了标靶,让鹊桥在天上做十字扫描,地面根据信号强弱调整偏差,最后把精度锁定在0.1度以内,相当于在一千米外用激光笔精准打中一枚硬币。
零下230度的太空寒冬怎么熬
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太空环境极其恶劣,鹊桥还要熬过长达4个多小时的阴影期——这段时间它会被地球和月球的阴影挡住,没阳光照射,温度会骤降到零下230度,阴影区整体温度大概在零下200摄氏度左右,比南极最冷的时候还低140多度,金属都可能冻裂。
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为了让鹊桥活下来,工程师给它穿了金灿灿的多层隔热材料太空棉袄,关键设备周围还装了电热片。
进入阴影前,系统会自动关掉非必要设备,把电力集中给通信和温控系统,还会提前预热。
就靠这套保暖方案,鹊桥能在比液氮还冷的环境里安然度过阴影期,等再次见到阳光时,照样能正常工作。
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别看鹊桥功能强大,个头却很小,尺寸就像一张大办公桌,高85公分,长宽大概1.4米,发射重量约448公斤,这都是为了适应火箭的运载能力。
为了在有限的重量里塞下更多功能,设计师把减重做到了极致:电子芯片集成成小模块,体积减半、重量减了四成。
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星敏传感器的支架用3D打印做了中空结构,重量从0.46公斤降到0.19公斤,硬生生省了59%的重量。
更厉害的是,鹊桥不只是传话筒,还是个兼职科学家,它带了中荷合作的低频射电探测仪,填补了人类在10MHz以下频段观测宇宙的空白。
还有大尺寸激光反射镜,把人类激光测距的范围从地月38万公里拉长到地鹊48万公里,为验证广义相对论提供了更长的标尺,也为更远距离的航天器测距积累了经验。
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一次惊险又成功的太空之旅
2018年5月21日凌晨5点28分,长征四号丙火箭在西昌卫星发射中心带着鹊桥升空,把它送入了近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道,随行的还有两颗龙江微卫星。
途中,龙江一号意外失联,让地面团队捏了一把汗,好在经过反复排查,保住了龙江二号的任务。
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龙江二号还带了一枚沙特相机,5月28日首次开机就成功拍到了地月合影和月表局部影像。
5月25日,鹊桥在距离月面100公里处完成近月制动,经过5次精准的轨道调整,6月14日11时成功进入环绕地月L2点的晕轮轨道,正式开始传话筒工作。
美国研究几十年没搞定的月背通信难题,中国人用相对低的成本实现了突破。
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鹊桥不仅帮嫦娥四号成功登陆月背,更证明了中国航天在轨道控制、轻量化设计和深空通信上的硬实力——它可是人类第一颗地球轨道外的专用中继通信卫星,第一颗连通地月的中继卫星,也是第一颗在地月L2点采用晕轮轨道的卫星。
那面在深空展开的金色巨伞,就像一座真正的鹊桥,架起了地球与月背未知荒原的联系,也为人类探索宇宙打开了一扇新窗口。
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参考资料:
中国航天《喜讯!嫦娥四号任务中继星成功发射 将搭建地月“鹊桥”》
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