長征八號遙三運載火箭起飛（圖源：水兄）

北京時間3月20日上午8時，中國在海南文昌航天發(fā)射場通過長征八號遙三運載火箭將鵲橋二號中繼星發(fā)射升空，這標志著“嫦娥”探月工程四期正式起航！

“嫦娥”-探月工程

2004年，中國月球探測一期工程（繞月探測）正式批準立項，同時，探月工程還獲得了一個美麗的名稱“嫦娥”。

一樣的“嫦娥” 不一樣的目標

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“三步走”

探月工程一期、二期、三期更為耳熟能詳?shù)暮喎Q是“繞、落、回”三步走。“繞”是指發(fā)射衛(wèi)星進入繞月軌道實施探測，主要目標是突破地月間飛行技術(shù)、實現(xiàn)月球探測衛(wèi)星的繞月飛行、繪制月球地圖、探測月球表面元素含量等。2007年10月24日嫦娥一號成功發(fā)射并出色地完成了“繞”的任務。“落”的目標由嫦娥三號在2013年12月14日達成，中國成為第三個成功實施月球軟著陸、在月面部署巡視器（月球車）的國家。最具挑戰(zhàn)性的是“回”。2020年12月17日嫦娥五號任務成功突破了月面采樣、月面起飛上升、月球軌道交會對接、再入返回技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，成功帶回了1371克月球樣品返回地面，創(chuàng)造了無人探測器獲取地外天體樣品新紀錄。我國探月計劃“三步走”七戰(zhàn)七捷（嫦娥一號~五號、嫦娥五號T1再入返回飛行試驗器、鵲橋號中繼衛(wèi)星）。

嫦娥五號著陸器拍攝的采樣點拼接圖（圖源：中國探月工程）

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未來規(guī)劃

探測月球不能止步于“到此一游”，月球在科學上、應用上、戰(zhàn)略上都有著極為重要的價值。自2024年起，中國將開啟探月工程四期，目標瞄準國際月球科研站建設！將通過嫦娥六號、嫦娥七號、嫦娥八號三個主體任務實現(xiàn)科研站基本型的建設。

嫦娥六號探測器是嫦娥五號的姊妹船，預計在2024年5月發(fā)射。她將挑戰(zhàn)更有難度的首次月球背面取樣返回，目標區(qū)域是南極-艾肯盆地中緯度地區(qū)阿波羅環(huán)形山（Apollo crater）。那里是月球曾經(jīng)遭遇猛烈撞擊，月面地勢最低的區(qū)域，可能保留極早期月球信息。嫦娥七號、八號都是“合體金剛”，將包含著陸器、探測器、巡視器、飛躍器等各類型航天器對月球南極地區(qū)進行詳細考察，并一同組成國際月球科研站基本型。她們將在2026年和2028年發(fā)射。有了這些月球探測器，就能對月球環(huán)境資源利用開發(fā)進行系統(tǒng)性的試驗驗證工作。2040年前后有望建成較為成熟的國際月球科研站。

一樣的“嫦娥” 不一樣的功能

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鵲橋中繼星

鵲橋二號雖然也叫“鵲橋”，但是和6年前發(fā)射的鵲橋號中繼星相比還是有著巨大的不同。（注：鵲橋中繼衛(wèi)星并不叫鵲橋一號，就像“玉兔”月球車，有玉兔號、玉兔二號，并不叫玉兔一號。）

鵲橋號中繼星是為了配合嫦娥四號在月背實施軟著陸而專門研發(fā)的中繼通信衛(wèi)星。由于月球的公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期恰好相同，這叫潮汐鎖定現(xiàn)象，是宇宙中常見的引力作用結(jié)果。于是我們在地球上看，始終只能看到半個面，即所謂的“正面”。如果要在月球背面著陸，那么探測器的信號會被月球本體給阻擋，無法建立通信聯(lián)絡。鵲橋中繼星的作用就是擔負起“傳令兵”的作用。

鵲橋中繼星被部署在距離地球448900公里外的地-月拉格朗日L2點，比地月距離遠16.8%。嫦娥四號和玉兔二號的信號先傳給鵲橋，鵲橋再傳給地球；地球發(fā)給嫦娥四號和玉兔二號的指令則反過來傳遞。

鵲橋中繼星工作軌道示意圖（圖源：網(wǎng)絡）

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鵲橋二號中繼星

不過，探月四期的幾次任務都將選擇月球南極地區(qū)進行考察，L2點就不是非常理想了。于是，鵲橋二號選擇了一條十分特殊的大傾角的橢圓軌道，即鵲橋二號的軌道與月球赤道的夾角達到了54.8°，近月點在月球南半球高緯度地區(qū)，遠月點在月球南半球高緯度地區(qū)。

根據(jù)開普勒第二定律，沿橢圓軌道運動的衛(wèi)星離母星越遠，移動速度越慢。因此，在遠月點附近，鵲橋二號將“慢吞吞”地在月球南極上空路過，持續(xù)為地面探測器提供通信中繼服務。嫦娥六號將在月面停留48小時進行取樣作業(yè)，鵲橋二號將在一條24小時周期的軌道上運行，最大限度為取樣任務服務。

鵲橋二號中繼星工作軌道示意圖（圖源：Lihua Zhang, 2021）

在后續(xù)嫦娥七號、八號的任務中，鵲橋二號還將切換到一條近月點為300公里，遠月點為8600公里的大傾角橢圓凍結(jié)軌道（inclined elliptical frozen orbit）。之所以叫“凍結(jié)”軌道，是指遠月點位置幾乎不動，始終出現(xiàn)在月球南極上空。在12小時的軌道周期中，有長達8小時以上可以和南極地區(qū)的探測器“打電話”。而且這條軌道非常穩(wěn)定，幾乎不需要耗費燃料就能維持長期運行。

除了精妙的軌道設計外，鵲橋二號本身也有著很強的本領。鵲橋號使用的是中國空間技術(shù)研究院航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制的CAST100衛(wèi)星平臺，長、寬各1.4米，是個重約0.45噸的小型衛(wèi)星，功率為800W。而鵲橋二號使用的是CAST2000平臺，重量達到1.2噸，功率達到1000W以上。這讓鵲橋二號擁有了更強的通信保障能力，設計壽命也達到8年以上。

鵲橋中繼星高增益天線展開動畫（圖源：國家航天局）

同時，它還攜帶了極紫外相機、陣列中性原子成像儀、地月基線干涉測量（VLBI）試驗系統(tǒng)等科學載荷，可以開展多項地月空間的科學研究和試驗。可以說鵲橋二號的價值不僅僅在于“傳話”。

鵲橋二號模型（圖源：Lihua Zhang, 2021）

值得一提的是，這次鵲橋二號還帶著兩個“小跟班”——“天都”一號和“天都”二號立方星，它們將聯(lián)合組網(wǎng)測試月球通信和導航。往長遠說，鵲橋二號本身也是一顆試驗衛(wèi)星——未來可以有更多的“鵲橋”組成中繼衛(wèi)星星座，甚至架起一座跨越金星-地球-火星的巨大“鵲橋”！

作者：施韡（上海天文館展教中心網(wǎng)絡科普部部長）

編輯：陸柒

審核：水仙

圖源：已在文中標注