卫星矢量图
嫦娥四号通过中继卫星“鹊桥”的通信支持,在月球背面进行科考(假想图)
地月系统拉格朗日点示意图。其中,中心处圆为“地球”所在位置,右侧较小圆为“月球”所在位置,L2为中继卫星“鹊桥”预定到达的位置。
近日,一颗即将于5月份发射的卫星成了人们“刷屏”的明星,这不仅在于它有极具中国传统文化特色的名字“鹊桥”,而且在于它将为计划于今年底奔月的嫦娥四号提供卫星“中继服务”,是名副其实的“嫦娥先行官”。
嫦娥四号发射之前为什么要先架“鹊桥”呢?“鹊桥”所提供的中继服务究竟是什么?“鹊桥”是中国第一颗中继卫星吗?它发射后将在怎样的轨道上运转?它将与嫦娥四号一起演绎怎样的“奔月故事”……这些无疑都是人们关心的问题。
“鹊桥”将飞架在地月L2点
“鹊桥”是一颗“中继卫星”。该类卫星属于通信卫星,被形象地称为“卫星的卫星”,因为它们可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务,极大提高各类卫星使用效益和应急能力,能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传。
嫦娥四号登月探测器是嫦娥三号的备份星,计划将登陆月球背对地球一面的南极附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐锁定,它只能永远以同一面朝向地球。这就意味着,在月球背面登陆的嫦娥四号与地球上的测控中心不仅相隔遥远的地月距离,而且还要隔着月球球体进行通信联系。但通信信号无法穿透月球抵达其背面,这就需要中继卫星的帮助来实现数据传输,完成地面测控任务。这是“嫦娥”此次发射奔月之前先发射“鹊桥”卫星的原因。
茫茫宇宙浩渺无垠,“鹊桥”发射升空后将架设在哪里才能充分发挥其提供中继服务的作用呢?这就必须提到一个概念:拉格朗日点。根据天体力学,一个小物体在两个大物体的引力作用下居于空间中的一点,在该点处,小物体相对于两个大物体基本保持静止。这些点的存在由瑞士数学家欧拉于1767年推算出前3个,法国数学家拉格朗日于1772年推导证明剩下的两个。1906年,首次发现运动于木星轨道上的小行星在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。在每个由两大天体构成的系统中,按推论有5个拉格朗日点,但只有两个是稳定的,即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰,仍然有保持在原来位置处的倾向。每个稳定点同两大物体所在的点构成一个等边三角形。
“鹊桥”发射后预定进发的位置为“地月系统拉格朗日-2点”(简称地月L2点),这个点位于地球和月球两点连线的延长线上,在月球背对地球的一侧。“鹊桥”架设在该点上既可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换,即完成“中继”任务,又因为受地月引力作用平衡而保持相对稳定状态,从而节省卫星燃料,有利于对其进行轨道控制。