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地月“鹊桥”五院造,开启探月新征程!

时间:2018年05月22日 信息来源:中国空间技术研究院官方微信 点击: 字体:

521日,嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射。作为嫦娥四号探月工程的关键一环,“鹊桥”的成功发射,标志着我国成功迈出了月球背面登陆工程中的第一步。截至目前,中国空间技术研究院已研制发射236颗航天器。

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由于月球的公转速度与自转速度相等,月球背面无法看见地球,因此嫦娥四号任务需要首先发射一颗中继星,解决与月球背面的通信问题,这也将是世界首颗连通地月的中继卫星,为着巡组合体安全抵达月球背面构筑信息通路。嫦娥四号中继星“鹊桥”由中国空间技术研究院下属航天东方红卫星有限公司抓总研制。

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第一颗地球轨道外专用中继通信卫星

随着深空探测的发展,以及对月球和月球之外的天体和空间的探测,人类将航天活动的范围扩展到月球、火星等天体处,随之面临着测控通信远距离损失剧增、低覆盖率、延时较大等许多技术难点。为了克服地基测控网络的不足,同时为了适应未来航天技术的发展,需要寻找新的航天测控系统体制和更优的传输方式,以实现卫星与地面站之间的数据通信。应用中继卫星技术应运而生。

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对月中继通信是利用中继卫星作为转发站,对环月、落月飞行器的信号进行中继转发的卫星通信方式,其一般是利用与地球长期可见的中继卫星在环月或落月飞行器和地面站之间建立一条全天候、实时的高速通信链路,可为卫星、飞船等飞行器提供数据中继和测控服务,并实现科学数据实时下传至地面,极大提高此类卫星使用效益。

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“鹊桥”是我国首颗,也是世界首颗地球轨道外专用中继通信卫星。作为数据中转站,它能够实时的把在月面背面着陆的嫦娥四号探测器发出的科学数据第一时间传回地球,具有重大的科学与工程意义,也是人类探索宇宙的又一有力尝试。

第一颗在地月L2平动点上

采用Halo轨道的卫星

自从牛顿提出万有引力定律以来,人们将其运用于计算太阳系中天体的位置。但是万有引力定律描述的都是两个天体之间的关系,在只有两个天体的情况下,用牛顿理论可以很容易地得到天体的运行轨道,但是三个天体之间的作用力关系非常复杂以至于难以求解,称为三体问题。瑞士科学家欧拉和法国科学家拉格朗日针对三体问题,求解出了五个特殊解,即L1-L5点,也称为拉格朗日点。由于其特殊的空间位置和动力学特性,拉格朗日点成为开展空间探测的最佳位置。很多科学卫星都运行在拉格朗日点附近的轨道上。

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为了实现对月球背面着陆器和巡视器的中继任务,“鹊桥”的使命轨道为月球背面一侧的地月L2平动点Halo轨道,这也是人类航天器首次涉足该轨道。根据设计,“鹊桥”卫星将在L2点做拟周期运动,通过定期轨控保持轨道的稳定性。地月L2平动点位于地月连线的延长线上,距月球距离约6.5万公里。由于地月距离是变化的,L2点距离月球的距离也是变化的,通过对使命轨道的设计,“鹊桥”与月球的距离不大于8万公里,可实现对着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

人类深空探测任务史上最大口径通信天线

深空探测任务中难度最大的就是如何确保远距离数据通信链路的可靠建立,这也是世界各国都在致力解决的深空探测关键核心技术。

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中继星“鹊桥”上架设了一副展开后口径达近5米的伞状天线,这是人类深空探测器历史上携带的最大口径通信天线,它为“鹊桥”和地球之间铺设了一架宏伟的高速桥梁,让遥远的星地距离变为大道通途,每时每刻将宝贵的科学数据从广邈的外太空实时送达地球。

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为了实现和保障“鹊桥”中继功能的顺利实现,研制人员给它配备了多副天线。其中,大口径伞状天线是最关键的一副,它直接指向月球,将与今年要发射的嫦娥四号探测器对接,不仅要将地面的测控指令说给探测器听,还要听清楚探测器给中继星说了些啥。伞天线,顾名思义,像一把伞一样,在中继星与火箭分离一段时间后,这把“伞”就打开了,这把“伞”在太空中需要经历严酷的考验。嫦娥四号中继星在浩瀚的太空中还会经历一段没有光照的阴影区,阴影区的温度是-200℃左右,最冷的地方将达到-230℃,在如此严寒下,伞天线全身都“冻僵了”。为了让它从“冻僵”的状态中恢复过来,研究院的设计师们做了包括力学、热学等不计其数的试验,有效保障了伞天线能够克服严酷环境。





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