二． 鵲橋選址

盡管確定了暈軌道作為鵲橋號(hào)衛(wèi)星的軌道類型，但對(duì)于實(shí)際的軌道設(shè)計(jì)，我們的軌道專家則考慮得更多。

一方面，作為使命軌道的暈軌道不能太小。因?yàn)轾o橋號(hào)的初衷是為嫦娥四號(hào)的月背探測(cè)提供持續(xù)的數(shù)據(jù)中繼傳輸，過(guò)小的軌道會(huì)進(jìn)入月球相對(duì)地球的陰影區(qū)，信號(hào)被月球遮擋——這被稱為月掩。這是我們不采用李薩如軌道的原因，復(fù)雜的進(jìn)動(dòng)軌道在漫長(zhǎng)的任務(wù)周期中難免出現(xiàn)月掩，這對(duì)于任務(wù)設(shè)計(jì)而言不可接受。

月掩示意圖 |圖片來(lái)源高珊，周文艷等 @中國(guó)空間技術(shù)研究院

另一方面，作為使命軌道的暈軌道又不能太大。我們把落月的嫦娥四號(hào)探測(cè)器和鵲橋號(hào)中繼星的連線，與嫦娥四號(hào)當(dāng)?shù)卦虑虻仄骄€的夾角稱為高度角。這個(gè)角度是嫦娥四號(hào)探測(cè)器“仰望”中繼星的角度，如果高度角太小，信號(hào)就相當(dāng)于貼著月球表面發(fā)射，嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量。

月球高度角示意圖

當(dāng)使命軌道的振幅過(guò)大時(shí)，高度角自然會(huì)減小，而同高度角情況下月球表面能“看”到中繼星的區(qū)域也會(huì)變少。因此，鵲橋號(hào)衛(wèi)星的使命軌道在地月公轉(zhuǎn)平面外的振幅，可以取1萬(wàn)到1.5萬(wàn)千米。這樣，在中繼星的3年任務(wù)周期內(nèi)，可以100%不間斷地被嫦娥四號(hào)“仰望”，并且信號(hào)質(zhì)量有保障。

嫦娥四號(hào)與鵲橋號(hào)中繼星進(jìn)行低高度角通信 |圖片來(lái)源@中國(guó)空間技術(shù)研究院

到此為止了嗎？

當(dāng)然沒(méi)有，科學(xué)家還要考慮軌道的光照條件。

地球和月球在被太陽(yáng)光照射時(shí)，會(huì)在他們身后形成一道長(zhǎng)長(zhǎng)的陰影，依靠太陽(yáng)帆板提供電力的鵲橋號(hào)，如果長(zhǎng)期運(yùn)行在地球或月球的陰影中，就會(huì)出現(xiàn)電力不足，無(wú)法正常工作的情況。

地影和月影 |圖片來(lái)源高珊，周文艷等 @中國(guó)空間技術(shù)研究院

在對(duì)比了南北兩個(gè)方向振幅的使命暈軌道后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在任務(wù)周期內(nèi)，南向振幅的暈軌道在地影和月影的發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等方面都要好于北向的軌道。

因此，最終鵲橋號(hào)中繼星選擇了南向振幅13000km、軌道平均周期14天的暈軌道作為使命軌道。出于優(yōu)化燃料使用的目的，鵲橋號(hào)的軌道控制采用擬暈軌道方式，實(shí)際軌道與使命軌道的偏差保持在較小的范圍內(nèi)，每半圈（7天）進(jìn)行一次軌道維持。

圖片來(lái)源 @中國(guó)空間技術(shù)研究總體部

三、飛向L2

鵲橋號(hào)衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)縝密而完善，但地月相距38萬(wàn)千米，地月系統(tǒng)的L2點(diǎn)更是在地球的45萬(wàn)千米之外，如何順利地將鵲橋號(hào)衛(wèi)星送達(dá)預(yù)定軌道也是需要?jiǎng)右环X筋的。

為此，我們的科學(xué)家設(shè)計(jì)了精巧的轉(zhuǎn)移軌道，可以使衛(wèi)星以較少的燃料消耗安全抵達(dá)預(yù)定位置。

鵲橋號(hào)中繼星的飛行軌道 |圖片來(lái)源吳偉仁，王瓊等 @探月與航天工程中心

為了充分利用月球引力輔助減速，鵲橋號(hào)的近月點(diǎn)高度只有100千米，這對(duì)衛(wèi)星的中途修正點(diǎn)火精度有著很高的要求，稍有偏差，鵲橋號(hào)就會(huì)步美國(guó)徘徊者4號(hào)的后塵，直接撞擊月面。

在鵲橋號(hào)到達(dá)L2點(diǎn)后，還要進(jìn)行下圖中的三次變軌，真正進(jìn)入繞L2飛行的暈軌道。

鵲橋號(hào)中繼星的轉(zhuǎn)移軌道 |圖片來(lái)源高珊，周文艷等 @中國(guó)空間技術(shù)研究院

2018年5月21日5時(shí)28分，鵲橋號(hào)中繼星搭載長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭，由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，這也是長(zhǎng)征四號(hào)系列火箭的第一次高軌道發(fā)射。

圖片來(lái)源 @新華社

上世紀(jì)80年代，我國(guó)為發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星研制三級(jí)運(yùn)載火箭，出于技術(shù)穩(wěn)妥性考慮，采用常規(guī)燃料第三級(jí)的長(zhǎng)征四號(hào)一度是第一方案。關(guān)鍵時(shí)刻，以任新民為代表的老一輩航天人，敏銳地意識(shí)到液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)在高軌道發(fā)射方面有著更廣闊的前景，果斷向黨中央建議支持采用氫氧機(jī)的長(zhǎng)征三號(hào)火箭執(zhí)行同步軌道發(fā)射。而長(zhǎng)征四號(hào)系列則轉(zhuǎn)為發(fā)射太陽(yáng)同步軌道和低地球軌道衛(wèi)星。

鵲橋號(hào)中繼星的發(fā)射，也讓長(zhǎng)征四號(hào)終于圓了設(shè)計(jì)之初的夢(mèng)想。

航天巨擘任新民院士|圖片來(lái)源 @中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

5月25日21時(shí)32分，鵲橋號(hào)實(shí)施近月制動(dòng)，這次制動(dòng)精度很高，原計(jì)劃后續(xù)的第四次軌道修正取消。

6月14日11時(shí)，鵲橋號(hào)成功進(jìn)入Halo使命軌道。

目前，鵲橋號(hào)整星工作正常，設(shè)備溫度正常，各次軌控正常，平臺(tái)各分系統(tǒng)功能正常，正在月球的另一邊，靜待嫦娥四號(hào)探測(cè)器的到來(lái)。

待到嫦娥歸來(lái)時(shí)，天塹變通途。

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