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石豪：月球背面這波高難操作，中國航天人怎么做到的？

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  石豪科研工作者、航空航天觀察者

【文/觀察者網專欄作者 石豪】

2018年12月8日2時23分34秒367毫秒，嫦娥四號月球探測器從我國西昌衛星發射中心成功發射，人類首次月球背面著陸巡視探測揚帆起航。月球背面探測的測控和通信，一直是世界性難題，本文是嫦娥四號任務系列文章的第二篇，筆者就與各位讀者一起聊聊中國航天人是如何解決這個問題的。

一． 軌道探索

由于月球的背面一直無法被人類直接觀測，當探測器飛到月球背面時，與地球無法通過無線電進行聯絡，探測器的實時狀態和科學數據傳不下來，地球的指令也送不上去。

因此，解決月球背面著陸巡視過程中的通信問題，就成為橫亙在嫦娥四號任務前的一道天塹。不能建造一座橫跨天塹的橋，整個任務的實施就無從談起。

那么問題來了——在哪里造橋呢？

人類對于地月系統中引力平衡點軌道的研究，最早甚至可以追溯到18世紀。

1765年，數學巨匠歐拉發現，在任意一個旋轉的二體系統中，都存在3個與二體共線的平動點。1772年，法國數學家拉格朗日進一步確定了另外兩個與二體成等邊三角形關系的平衡點。

萊昂哈德?歐拉 |約瑟夫?拉格朗日

后人將這五個平衡點統稱為“拉格朗日點”，所有拉格朗日點都在二體的旋轉平面內。

二體問題中的五個拉格朗日點位置| 圖片來源EnEdC@Wikipedia

在這五個拉格朗日點中，L4和L5點是穩定平衡點，就像放在碗中的小球，任何讓小球偏離原位的小擾動，都會以小球滾回原位穩定下來告終。

穩定平衡的小球

對L4和L5，自然界中最著名的例子當屬太陽-木星系統中的特洛伊小行星群，數以千計的小行星被太陽和木星的引力俘獲，進入日木二體系統的L4和L5點附近，與木星一起穩定地繞太陽公轉。對L4點的小行星，科學家以特洛伊戰爭中希臘方的英雄命名，對L5點的小行星則以特洛伊城方的英雄命名。

特洛伊小行星群 |圖片來源@NASA

而L1、L2和L3都是不穩定平衡點，就像放在倒扣的碗正上方的小球，稍有擾動就會離開原有位置。

不穩定平衡的小球

盡管L1、L2和L3都是不穩定平衡點，科學家們發現，只要用很小的速度增量，就能讓航天器在拉格朗日點附近的局域空間內運行。

如果航天器繞拉格朗日點的周期性運行只維持在二體系統的公轉平面內，就會形成二維平面上的閉合軌道，這種軌道被稱作李雅普諾夫軌道（Lyapunov Orbit）。

如果航天器有垂直于二體系統公轉平面的運動，且平面內運動的周期與垂直運動的周期一致，就會形成三維平面上的閉合軌道，這種軌道就是羅伯特?法夸爾命名的暈軌道（Halo Orbit）。從地球看去，這種軌道就像月暈那樣環繞著月亮。

當平面內運動的周期與垂直運動的周期不一致，軌道將在三維空間內產生進動，稱為李薩如軌道（Lissajous Orbit），玩過示波器的讀者朋友應該很熟悉李薩如圖形。

還有一類軌道，與暈軌道有偏差，但這種偏差保持在一定范圍內，被稱為擬暈軌道（Quasi-Halo Orbit）。

如果讀者朋友已經看暈了的話，下面一張圖能夠讓大家完美識別這四種軌道，其中左上角圖(a)為李雅普諾夫軌道，右上角圖(b)為暈軌道，左下角圖(c)為李薩如軌道，右下角圖(d)為擬暈軌道：

圖片來源Rui Qi and Shijie Xu @BIT

毫無疑問，對于月球背面探測任務，以地月L2點暈軌道為使命軌道穩定運行的中繼星，就是跨越月背天塹的橋。

所以，中國航天人建造了“鵲橋”——一顆小巧的中繼衛星。

鵲橋號衛星|圖片來源@中國空間技術研究院

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• 責任編輯:吳立群
• 最后更新: 2018-12-12 08:02:35

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