“嫦娥”未動，“鵲橋”先行。
我國的第四個探月任務，嫦娥4號的中繼衛星鵲橋於2018年5月21日凌晨在西昌衛星發射基地，由長征4號丙（CZ-4C）運載火箭發射升空。
鵲橋號發射成功。來源：中國航天科技集團
在今年4月24日的“中國航天日”主場活動開幕式上，這顆中繼衛星被賦予了一個恰如其分的名字——“鵲橋”。
中繼衛星是做什麼的？
我國的嫦娥4號計劃著陸於月球背面南極艾肯盆地內的馮·卡門隕石坑（中心位置44.8°S，175.9°E）中，並釋放月球車進行探測。
圖：月球背面的馮·卡門撞擊坑。來源：參考文獻[1]
這是人類首次嘗試著陸月球背面。
但由於月球的自轉和公轉週期相同（這是月球被地球的引力逐漸鎖定的自然結果，太陽系中眾多大衛星都處於這樣的狀態，甚至系外行星中都有很多都已被母恆星鎖定），地球上的人類始終只能看到月球的正面，地面基站自然也只能收到來自月球正面的信號。
圖：已被潮汐鎖定的月球。製圖：haibaraemily
不過，這對很多月球觀測都是沒什麼影響的——因為軌道器是會一圈一圈繞著月球飛的嘛，飛到背面時測到的數據，飛到正面時再傳回來就好了，只是有點延時而已，不是事兒。
事實上，人類在月球探測非常早的時期就已經拍攝到月球背面的照片了——1957年，人類第一顆人造衛星斯普尼克1號進入太空；1958年，人類開始月球探測；1959年10月7日，蘇聯的月球3號就已經傳回了第一張月球背面的影像。
（左）為紀念蘇聯拍到月球背面的第一張影像發行的郵票；（右）為當時傳回的第一張月球背面影像，左邊的暗色區域分別為危海、史密斯海、界海，下方為南海，右上為莫斯科海。來源：維基。
但有些需要實時保持聯絡的探測項目就出問題了。
比如激光測月就是不行的。就是在月球上安裝激光反射稜鏡，通過從地球上打激光去月球並接收反射回來的激光，就可以精確測量地球和月球的距離和距離的變化，並用來推測與之相關的各種地球物理參數——這東西裝在月球背面顯然是不行的。
（左）人類迄今為止安裝在月球上的所有激光反射稜鏡，目前只有美國的阿波羅11、14、15和蘇聯的月球21號安裝的共4個稜鏡還在工作中；（右）阿波羅14號在月球表面安裝的激光反射稜鏡。來源：NASA
重力測量也是不行的。行星的重力場測量通常採用無線電信號的多普勒頻移來計算，這就需要時刻保持多普勒信號的跟蹤，不能中斷。所以一旦探測器飛到了月球背面，就測不成重力了……怎麼辦？涼拌。沒有就是沒有。事實上，直到1998年的月球探勘者號探測器，也就是人類開始探索月球的40年後， 都沒有辦法直接測量月球背面的重力場信息。
這個問題直到2007年日本的月神1號探測器採用了一顆中繼衛星（Rstar）才得以解決。再到2011年NASA的GRAIL重力探測器，直接發射了兩顆衛星一前一後編隊飛行，彼此之間再也不用擔心“失聯”，一舉把月球全球重力場測量提高了一個量級。
（左）使用中繼衛星進行月球背面重力測量的日本月神1號探測器，來源：JAXA；（右）使用雙星編隊飛行的NASA GRAIL探測器，來源：NASA
在月球背面釋放著陸器和月球車更加不行了，別說實時通訊了，啥時候都不能通訊。所以嫦娥4號的著陸器和月球車要怎麼辦呢？還是要靠中繼衛星。只不過，這時候的中繼衛星不是為了跟蹤測量，而是為了保持和地球基站的通訊了。看到這裡，想必讀者一定已經明白，咱們為什麼要給嫦娥4號這顆通訊中繼衛星取名叫“鵲橋”了吧？
嗯，纖雲弄巧，飛星傳恨，銀漢迢迢暗度。
中繼衛星要被送到哪裡去？
鵲橋號將會在發射8-9天后被送入一個叫做環地月拉格朗日L2點的軌道。拉格朗日點又叫做平動點，兩個天體周邊一共有5個這樣的點。
兩個天體周邊的5個拉格朗日點L1-L5。來源：維基
在這些點上，兩個天體的引力綜合影響達到平衡，其中L2點就是地月連線上遠離地球的那個點。處於拉格朗日點附近的探測器，可以始終保持相對於兩個天體幾乎靜止的位置，這也就意味著，可以保持穩定的通訊。
除此之外，L2點也好處多多，在這附近的探測器，不僅可以獲得更多光照（太陽能 ），而且維持軌道所需的能量還更小。
其實，在環地月L2軌道上放一顆通訊衛星，來為月球背面的任務提供通訊中繼，這個想法早在1972年就已由NASA戈達德空間飛行中心的軌道設計專家Robert Willard Farquhar提出[2]，但直到四十多年後的今天，才將首次由鵲橋號實現。轉眼四十年，一種穿越時空的迴響。
Robert Willard Farquhar在1972年提出的環L2點軌道設計，L2點與月球之間的距離約為64500千米，而中繼星在一個以地月L2點為中心，半徑3500千米的軌道上，做週期約14天的圓周運動[2]
中繼星鵲橋號長什麼樣子？
鵲橋使用的是我國空間技術研究院CAST100微小衛星通用平臺，加上約100千克的無水肼推進劑燃料總共也就只有425千克重。鵲橋號機身長方體，採用板式結構，可由鋰電池和太陽能板供電。頂部安裝了一個直徑4.2米的傘狀拋物面天線作為衛星收發著陸器/月球車信號的高增益天線，也就是說在發射階段會收攏，入軌後再打開。
鵲橋號的設計圖。來源：參考文獻[1]
這種方式比較節省發射空間，是中繼衛星和微衛星比較常用一種天線設計方式。比如NASA的中繼衛星TDRS 7和雷達微衛星RainCube都是類似的天線設計。
NASA的地球中繼衛星TDRS 7（左）和雷達微衛星RainCube（右）示意圖。來源：NASA
↓RainCube的高清實物圖長這樣（來源：NASA）
打開的過程嘛，應該跟RainCube這張差不多……
鵲橋號與著陸器/月球車之間的收發信號和數據使用X波段，與地面測站之間的收發信號和數據使用S波段（鵲橋號向地面測站傳輸數據也可以使用X波段）。著陸器/月球車向中繼星的最大上傳速率有280/560kb/s，地面測站從中繼星的最大下載速率有2000/10000kb/s。同時，著陸器可以接收來自月球車的UHF波段訊息，再把這些訊息以X波段傳回給鵲橋號。著陸器/月球車向中繼星的上傳速率最大有280/560kb/s，地面測站從中繼星的下載速率最大有2000/10000kb/s。
中繼星（relay satellite）與地面測站（ground satiation）/著陸器（lander）/月球車（rover）之間的通訊鏈路。來源：參考文獻[4]
中繼星鵲橋號帶了哪些科學儀器？
除了通訊中繼這個主任務之外，為了充分利用月球背面的絕佳地理位置，鵲橋號還帶了兩件寶貝：
一件是與荷蘭合作研發的低頻射電探測儀（NCLE）。由於大氣層和電離層的干擾，地球上的測站幾乎無法進行低頻射電天文觀測，而月球背面這塊風水寶地，可以很大程度上屏蔽這些干擾。鵲橋號攜帶的NCLE儀器，將在處於月球背面的L2點附近進行射電天文測量、太陽風暴和行星無線電脈衝探測等一系列實驗性的天文實驗。
通過測試驗收的中荷低頻射電探測儀（NCLE）。來源：Twitter@ASTRON_NL
另一件是170毫米孔徑的激光角反射鏡。前面我們說過，月球背面上的測站是無法進行激光測距的，但地月拉格朗日L2點可以呀！在這裡架設的激光反射鏡，不僅不會被月球遮擋，而且還可以測到比月球正面的幾個激光反射稜鏡離地球更遠的距離。配合地面0.5米口徑的激光發射望遠鏡和1米口徑的激光接收望遠鏡，預計可以達到精度優於15毫米的單程測距，測距結果還可以幫助鵲橋號進行軌道校驗[1]。
激光角反射鏡工作原理圖。來源：參考文獻[1]
除了鵲橋號，這次還會順帶捎點啥？
由於執行此次鵲橋號發射任務的長征4號丙（CZ-4C）運載火箭尚有餘力，這次還將一同發射兩顆微衛星，這兩顆微衛星由哈爾濱工業大學負責研發，因此取名叫龍江1號和龍江2號。
龍江1號和2號衛星結構圖。來源：參考文獻[3]
龍江1號和2號將被送入一個距離月球300千米×3000千米的環月橢圓軌道，然後一前一後編隊飛行，以相距1～10千米（基線長度）的距離進行超長波天文干涉測量等實驗。其中一顆微衛星還搭載了一臺沙特阿拉伯研製的微型光學相機。
龍江1號和2號一前一後編隊飛行。來源：參考文獻[3]
而嫦娥4號的主角，著陸器和月球車，將於鵲橋號發射半年之後的12月發射升空。鵲橋號的設計壽命長達五年以上，也就是說，除了給設計壽命分別為6個月和3個月的嫦娥4號的著陸器和月球車提供中繼服務之外，這顆衛星還將會繼續在環地月拉格朗日L2點軌道上運行很久，給接下來國內外的月球背面探測任務提供中繼服務。
後 記
這篇文章還有一個英文版發在了行星科學最大的科普平臺之一ThePlanetarySociety上～這是灰灰第一次寫英文科普，開心～希望將來可以把行星科學分享給全世界的愛好者們～
致 謝
本文感謝知友 @鸑鷟鵷鶵、@太空精釀 對本文內容提升所做的幫助。
參考
[1] 吳偉仁, 王瓊, 唐玉華, 於國斌, 劉繼忠, & 張瑋等. (2017). "嫦娥4號"月球背面軟著陸任務設計. 深空探測學報, 4(2), 111-117.
[2] Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.
[3] 張錦繡，陳學雷，曹喜濱，等. 月球軌道編隊超長波天文觀測微衛星任務[J]. 深空探測學報，2017，4（2）：158-165.
[4] Ye, P., Sun, Z., Zhang, H., & Li, F. (2017). An overview of the mission and technical characteristics of Change’4 Lunar Probe. Science China Technological Sciences, 60(5), 658-667.
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