连通地月的星际使者——“鹊桥”

尹怀勤

2019年1月11日，国家航天局宣布嫦娥四号任务取得圆满成功。1月15日，媒体报道，美国希望中方能延长“鹊桥”中继卫星的寿命，为美国未来登陆月背提供帮助。

嫦娥四号任务的成功，创造了引人注目的两个世界“第一”：第一次在地月连线上的拉格朗日L2点的垂直面上设置的“鹊桥”中继卫星发挥了重要作用;由探测器和玉兔二号月球车组成的嫦娥四号成为世界上第一个成功软着陆于月球背面的探测器。

由于地球强大的引力让月球永远只能以一面朝向地球，因此人类虽然成功探月和登月，但都只是在月球的可见面进行，人类对月球背面的情况知之甚少。登陆月背，就要解决飞临和着陆月球背面的探测器与地球间的通信问题。解决这个难题，是嫦娥四号能够成功实施软着陆月背并开展探测工作的关键环节。我国探月工程的工程师们找到的办法就是：将一颗中继卫星发射到一个既能看到地球，又能看到月背的空间区域，在那里承担起月球背面与地球之间的通信任务。

2018年5月21日，“嫦娥”未动，“鹊桥”先行。2018年6月14日，鹊桥中继卫星进入环绕距月球背面约6.5万千米的地月连线上的拉格朗日L2点的晕轨道，成为世界上首颗运行在地月拉格朗日L2晕轨道的卫星。从地球上看，在晕轨道上运行的航天器呈现为月球的视运动，也就是看起来很像月晕。

“鹊桥”中继卫星选择的晕轨道与地月连线垂直，位于通过拉格朗日L2点的垂直平面附近。中继卫星与拉格朗日L2点的距离超过3500千米，绕拉格朗日L2点一周的时间约为半个月。把“鹊桥”搭在此处，月球背面与地球间的实时通信便成为可能。晕轨道上的“鹊桥”具有控制轨道的能力，这是因为拉格朗日L2点实际上是动态不稳定的，此处的扰动将使小天体离拉格朗日L2点的位置越来越远。因此环绕拉格朗日L2点运行的中继卫星实际上需要依靠自身携带的推进系统来进行轨道维持。

由于地球和月球是兩个质量巨大的天体，所以它们的拉格朗日L2点实际上是一块大面积区域，鹊桥中继卫星可以在这片区域的任意点上绕地球公转。同时，它会受到地月系引力连线范围的影响，大致运行出一个环形轨迹。又由于“鹊桥”在拉格朗日L2点处绕行地球的同时还会受太阳引力的影响，这便导致它的运行轨迹是一条犹如花瓣般的曲线。

作为全球第一个登陆月球背面的国家，鹊桥中继卫星和嫦娥四号成为我国航天科技一张闪亮的新名片，连美国国家航空航天局（NASA）都向我国抛出了橄榄枝。起初，在得知中国要发射中继卫星并探测月背时，美国科学家在一次国际会议上便向中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁提出合作请求。美方希望中方延长中继卫星的使用寿命并在嫦娥四号上放置美方的信标机。

“鹊桥”运行轨道示意图

在2019年1月举行的嫦娥四号任务取得圆满成功的新闻发布会上，国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华表示，中美双方此次开展了积极合作，利用正在月球轨道上运行的美国月球观测卫星，对嫦娥四号探测器进行了观测。在确定了嫦娥四号的探月计划和时间后，美方还提出了一个请求，希望能预先获知着陆时间和地点，好让自己的卫星能调整到着陆点上空，记录着陆瞬间的精确信息。而我国同意合作之后，也在任务前向美方通报了嫦娥四号此次月背着陆的具体坐标和时间，NASA则向我国分享了来自美国卫星监测的信息。

美方一直想用航天器探测陨石撞击月球背面扬起月尘的状态，鹊桥中继卫星为实现这一愿望提供了极大的技术支持，所以美方希望抓住这个机会。嫦娥四号软着陆月背时的情景我们拍下来了，其扬尘我们也测定了，但是美方从另外的角度进行了测量，且将测量结果分享给了中方。

在这次探月计划实施的过程中，很多国家提出了合作请求，为了更好地完成探月使命，嫦娥四号还携带了五六种与其他国家合作的载荷。总之，在鹊桥中继卫星的配合下，身怀绝技的嫦娥四号还会给我们带来更多的惊喜，为世界航天科技发展做出更多的贡献。