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拍攝：我們的太空 呂炳宏

月球是地球唯一的天然衛星，陪伴地球已經超過45億年。它對地球地軸指向、自轉穩定、周期潮汐、夜晚照明等有著巨大意義。可以說，離開了月球，地球根本不會是今天這種光景。

1.人類永遠只能看到月球的“一面”

由于地球強大引力的影響，月球也付出了很大代價：地球將它的自轉周期減慢為與圍繞地球公轉周期完全一樣，也就是潮汐鎖定。

在這種效應下，身處地球的人類基本永遠只看到月球的“正面”，只能在月球的天秤動效應下（月球軌道是橢圓，在軌道不同點的公轉速度不同，月球自轉也相對地球軌道面有一定傾角）看到月球“背面”一小部分（積累下來的極限是18%）。但總體來看，人類是無法看全月球背面的。

人類在地球上永遠只能看到的月球正面（左）和看不全的背面（右）（圖片來源于NASA）

即便到了載人航天時代，由于月球整體的阻攔，背面成了地面通信的禁區。在過去的60年內，人類已經發射了超過百個月球探測器，其中有65個月球著陸器，但僅有非載人的環繞月球軌道器和載人的阿波羅8/10/11/12/13/14/15/16/17看到過月球背面，沒有任何一個能夠實現月球背面的著陸。

也正因如此，人類關于月球背面的陰謀論和謠言甚囂塵上，外星人基地、納粹殘余、月球人家園，這些甚至廣泛出現在各種科幻作品中，各種演繹充滿想象力。月球背面甚至得名“月之暗面”（盡管實際上背面也能被太陽照到，只是人類看不到而已）。

為實現月球背面的探測、登陸與研究，就必須把信號傳遞到那里。現在這個方案就是中國嫦娥四號登陸信號中繼星，人類歷史上首個，妥妥的。

2. 信號中繼衛星，是什么？

相信大家也可以想到：載人飛船環繞地球運行時，90分鐘左右就能繞地球一周，如果到地球背面時，該怎么聯系？

主要有三種方案：

1.全球布網測控站，但需要世界范圍內都買單的強大政治影響力，還有海洋無法建站因素，顯然很難；

2. 建立移動測控站，比如我國前后7艘遠望號測量船中的2艘左右會在火箭發射時駛入大洋，但顯然每次都航行到地球另一側不現實；

3. 在太空中建立信號中繼衛星網絡，它們運轉在距離地面35786千米高的軌道，與地球自轉同步，只要3-4顆足夠覆蓋全球，它們就是“天眼”，但技術難度顯然最高。

第三種提到的就是信號中繼衛星，它們的功能就是接收、加工、轉發其他衛星的信息，換句話說：“衛星的衛星”。擁有這個技術的國家/地區有美國、俄羅斯、歐洲、中國、日本，但目前處在完整工作狀態下的中繼衛星通訊系統中，僅有美國和中國能夠實現全球覆蓋。

舉個典型的例子，2003年，中國航天第一人楊利偉進入太空，彼時他只能在飛到中國附近衛星測控站時才能與地球聯系。無論是跟國防部長通話還是跟家人問候，一次大概5分鐘就必須草草結束。

王亞平授課是通過天鏈一號系統（圖片改編自中新網）

而到了2013年神舟十號，王亞平就已經能在太空中實現51分鐘的太空授課，期間飛船繞了地球大半圈。到了神舟十一號，景海鵬和陳冬已經能看地面電視直播了。

他們依賴的就是我國覆蓋全球的四顆信號中繼衛星，天鏈一號。

3. 為了嫦娥四號，咱也送一顆中繼衛星去月球？

為探測月球背面發射信號中繼星，在1960年代NASA準備阿波羅登月項目時就有提出，直到任務結束也沒有被立項。現在最多的應用是在眾多火星軌道器上，它們既探測火星，又為地面上的火星車和著陸器中繼信號。

嫦娥四號將在年底成為人類歷史上第一個踏足月球背面的探測器。既然月球擋住了背面，為了給嫦娥四號和玉兔號月球車實現信號轉發服務，它的信號中繼衛星需要提前出發準備，這自然也是人類歷史上首個月球信號中繼衛星。

嫦娥四號信號中繼衛星帶有一個口徑4.2米的傘面天線 （圖片來源于吳偉仁等，詳見注1）

在2018年4月24日中國航天日，這個中繼衛星被命名為“鵲橋”，想必這個名字的典故和來歷，不需要補充了。

不過不同于大型的天鏈系列衛星，鵲橋使用的是我國空間技術研究院CAST100衛星平臺，這是一個微小衛星通用平臺，因而鵲橋也的確“身輕如鵲”，只有包含燃料也僅有幾百千克。

為了穩定在遙遠的深空同時保證對地月通訊的穩定，鵲橋必須定位在一個叫做地月拉格朗日二點的位置附近，選擇一條獨特的Halo軌道。在此前2014年的嫦娥五號T1測試飛行器已經驗證了相關軌道轉移和控制技術。

拉格朗日點又叫做平動點，對于兩個天體而言，它們的綜合引力影響在這些點（共計5個）達到平衡，那么航天器處在這個位置附近的Halo軌道時將會相對兩個天體幾乎靜止。拉格朗日二點就是引力平衡、在較小天體外側的點，在月球背后。因此，選擇這個點有三個重大優勢：

a. 隨著這兩個天體一同運動并與二者處在幾何關系幾乎不變的狀態；

b. 兩個天體引力平衡，衛星所需要的軌道維持燃料極少；

c. 沒有天體遮擋，一直暴露在日照之下，太陽能豐富。

中繼星與地球、月球的軌道關系 （圖片來源于吳偉仁等，詳見注1）

因此，對于設計壽命5年的信號中繼星而言，它能夠輕易穩定在這個軌道數十年，足夠中國、乃至葉培建院士提出的也可以幫助其他國家類似月球背面任務使用。

在2018年底，嫦娥四號抵達月球背面時，這個鵲橋“天眼”將會執行任務的指令發送、信號中繼、數據下載等功能，成為鏈接地球與月球的“鵲橋”。