摘要：咱们书接上文，嫦娥4号的任务就是到位于月球南极的艾特肯盆地去执行探测任务。这个直径约2400公里、最大落差达到1.8万米的大坑，保留了太阳系早期撞击的原始痕迹，是研究太阳系形成与演化的 “天然博物馆”。此外，月球背面不受地球电离层干扰和地面无线电噪声影响，是开
咱们书接上文，嫦娥4号的任务就是到位于月球南极的艾特肯盆地去执行探测任务。这个直径约2400公里、最大落差达到1.8万米的大坑，保留了太阳系早期撞击的原始痕迹，是研究太阳系形成与演化的 “天然博物馆”。此外，月球背面不受地球电离层干扰和地面无线电噪声影响，是开展低频射电天文观测的理想场所，能捕捉到来自宇宙深处更纯净的射电信号。
艾特肯盆地的伪彩色图
但是，这个大坑在月球的背面，也就是我们看不到的那一面。因此着陆器和地球上无法直接通信的，必须依赖于卫星中继，这个中继卫星还非常的特殊，因为它必须运行在地月拉格朗日点L2上。在此之前，没有任何航天器长期在这个位置上运行。
我们以前不是提到过美国的那个法夸尔嘛，这个家伙就是拉格朗日点晕轮轨道的设计者。他一直对这个地月拉格朗日点念念不忘。NASA当初在阿波罗17号任务也曾经考虑过，是不是落在月球的背面，也组织人马研究过这个问题，但是后来还是不找麻烦了，阿波罗17号是最后一次载人等月任务，后边的经费都被砍了。这个句号能平平安安的画上就算是阿弥陀佛了。
后来嘛，欧美都有人想过这档子事儿，但是最后也就不了了之了。道理很简单，没人去探测月球背面嘛。所以，咱们算是头一个实打实开始动手实施月球背面探测的国家。要实现这个目标，必须放一颗中继卫星来实现月球背面的探测器和地球之间的中继通信。这颗中继卫星的名字叫做“鹊桥”。
地月L2点位于地球与月球连线的延长线外侧，距离月球约大概是6.5万公里。因为地球和月亮之间的距离在不断变化，因此这个L2点的距离也在跟着变，平均大概是6.5万公里，最大不超过8万公里。
地月拉格朗日点
L2点实际上是一个空无一物的虚拟的点。卫星只要花很少的能量，就能够绕着这个空无一物的点打转转，我们不是讲过嘛，这种轨道上的形状是个三维曲线，有点像薯片的边缘，这个轨道被称为晕轮轨道。但是，这个轨道不是一根闭合曲线，每绕一圈都会有一点变化，最后绕出来的轨迹就像一根复杂的弹簧。这个结果就是著名的数学家庞加莱算出来的。这是一个限定条件下的三位提问题。
说是三体问题，其实也不完全准确，因为参与方并不是只有地球、月亮和卫星，太阳的影响力也无处不在，它也要来掺合一脚，轨道比理想状态更复杂。所以呢，鹊桥中继卫星还是要花一点燃料去维持轨道的，时不时就得调整一下。所以，鹊桥中继卫星上配备了4个20牛顿的发动机，用来调整轨道。这也一种多备份方案，只要有2个发动机是好的，就能完成任务。另外，鹊桥中继卫星还有12个5牛顿的小发动机，用来维持姿态。这些小发动机在关键时刻，也能顶一顶。
发动机是需要消耗燃料的，鹊桥中继卫星携带了100公斤的无水肼推进剂。这种东西分子式为N₂H₄，也叫联氨。氨气分子是一个氮原子挂着3个氢原子。所谓的联氨，其实就是把两个氨气分子个拆掉一个氢原子，然后把两个氮原子给连上。所以叫“联氨”。这东西常温下是油状的，靠催化分解来产生推力。所以只要一种推进剂就够了，不用携带氧化剂，这样比较省事。
鹊桥中继卫星和嫦娥4号的轨道
另外，这个晕轮轨道的范围也很大。因为必须保证这个轨道能从月亮背面探出头来，这样地球上才能看得见，圈圈小了不顶用。从地球上看鹊桥的轨道的二维投影，近似于一个椭圆。
当然，我们要强调，中继卫星未必一定要放到地月拉格朗日点。拉格朗日点只是其中一种方案，这个方案有利有弊，碰上的麻烦也不少，需要技术人员一个一个去解决。
L2点到月球的距离就不近，平均是6.5万公里。鹊桥是远远的绕着L2转圈圈，按照勾股定理算一算，鹊桥到月球的直线距离大概是在7.9万公里左右。这个距离相当的远。这就给鹊桥卫星的无线电通信造成了麻烦，信号太弱了，信噪比太低。鹊桥和地球的通信还凑合能解决，因为地面上有超大天线阵列。但是嫦娥4号的无线电发射功率很小，玉兔2号就更小。也就相当于几台民用对讲机的功率，如何发到8万公里在之外的鹊桥中继卫星呢？在着陆器和月球车上架设大天线是不可能的。你只能把大天线架设在鹊桥中继卫星上。
对了，这个鹊桥中继卫星，也是一个多快好省型的项目，咱们航天部门精打细算的习惯是刻在基因里的。这个卫星由长征4号丙运载火箭发射，这种火箭不大，运载能力有限，这就意味着鹊桥卫星也大不到哪里去。
鹊桥中继卫星在厂房
鹊桥中继卫星基于小卫星平台，总重量450公斤左右，长宽都是1.4米，高度是85公分。尺寸就相当于是一张高一点的大桌子。桌子上插了一把长长的太阳伞，这东西展开以后，就是一面巨大的抛物面天线，直径达到了4.2米。这把大伞就是鹊桥中继卫星的关键组件。
中继通信的核心是天线，天线口径越大、增益越高，接收微弱信号的能力就越强。这是当时我国深空探测器之中最大口径的通信天线，增益高达45分贝，相当于能把月球背面探测器发出的微弱信号放大几万倍，毕竟相隔8万公里，信号太弱了。这把伞必须足够大。
这把伞的研制难度不小。既要实现大口径，又要控制重量，越轻越好。还要能在太空中可靠展开。工程师们采用“固网结合”的设计，说白了就是伞骨多一点粗一点，中间采用柔性金属网。对于无线电波来讲，只要网眼比波长小，那么就当做网眼不存在。就当做是个连续的反射面。只是一个有效减轻重量的办法。
这个天线在发射的时候收拢成直径1米的一捆，入轨后通过弹簧机构自动展开，基本原理跟咱们家里用的折叠伞差不多。只是展开过程中需确保型面精度，误差控制在毫米级，保证成为一个比较标准的抛物面，否则会影响信号接收。为了验证可靠性，团队在地面进行了上百次展开试验，而且还要模拟太空的真空、低温环境。万一这套展开机构被冻住了，关键时刻掉链子，那可就麻烦了。所以一定要确保天线在轨一次展开成功。
鹊桥中继卫星的大天线
不过我们得把话说清楚，大口径抛物面天线能够提高非常高的增益。但是大家也别忘了能量守恒。所以大天线并不是放大了能量，而是汇集了能量。把四面八方的能量汇集到了非常狭窄的一根线上，信号当然会非常强。但是，这也就导致这口天线的指向性也非常非常强。要想和月球的着陆器进行通讯，就必须对得非常非常的准。稍微歪一点，信号就没了。
由于月球和地球都在运动，鹊桥本身也在运动。鹊桥的天线必须实时跟踪目标，指向偏差不能超过0.2度。如果增加天线转向机构，会增加重量和故障风险，只能调整整个卫星姿态来控制指向，实现对月球背面探测器和地球的精准跟踪。所以鹊桥卫星必须拥有精确控制自身姿态的能力。
鹊桥采用的是激光陀螺和星敏器进行定位。激光陀螺是测量角动量的，也就是计算自身相对的角度。星敏器说白了就是找星星的望远镜，通过测量某些恒星的角度来计算自身的姿态。陀螺仪和星敏器必须配合使用。
为了进一步提高精度，鹊桥在入轨以后，工程师们还得利用上海天马站的65米射电望远镜进行天线指向标定。卫星按照螺旋或十字交叉方式扫描，地面接收到卫星信号之后，分析信号强度，计算出天线指向偏差，再通过轨道控制进行修正。最终，天线指向精度控制在 0.1 度以内，远超任务要求。
上海天马山65米射电天线
当然，作为一个中继卫星，鹊桥的那把大伞是专门对准月球着陆器的。大伞和地球通信只是为了校准。另外有一组螺旋天线负责对准地球，这样的话可以两不耽误。
月球背面探测器的发射功率实在是太低了，信号传到鹊桥中继卫星的时候，已经非常的微弱，比咱们常用的手机信号要弱上万倍，且伴随严重的多普勒频移，毕竟卫星在运动，速度还挺快，多普勒效应不可忽视。如果是个固定频率，剔除噪音还不是很难，但是如果频率还变来变去，麻烦就很大了。所以呢，就必须研究更好的解码算法，优化信号处理流程。鹊桥中继卫星最后实现了在低信噪比的条件下，达到0.7kb/s的传输速度，而且100%解码。这个通信速度大概是多大呢，大约是一秒钟100个字符，跟打字聊天差不多。对于深空探测来讲，这个速度不算低了。
除了通信难题，鹊桥还需应对太空的极端环境和严格的重量约束，每一项设计都需要在性能与生存之间找到平衡。鹊桥在晕轮轨道运行，会经历长达 4 个多小时的“阴影期”。这时候，卫星处于地球或月球的阴影中，见不到阳光，温度急剧下降。特别是裸露在外的那些部件，根本没办法采取任何保暖措施。比如天线的伞骨、张力绳、金属网等部件。温度会降到-230℃以下，比南极最冷的温度还要低 140℃。如此的冷热不均匀，会造成受力的不均匀。短时间突然受冷收缩，是会损坏零部件的。
多层隔热绝缘层，就是我们在卫星表面常看到的那层金灿灿的包裹层
卫星内部的保暖也还好办，比如给关键部件包裹多层隔热材料，减少热量散失。二来是优化卫星工作模式，在进入阴影之前，先让设备提前预热，关闭不必要负载，集中供电给核心通信设备。但是裸露在外的那些机械结构就只能硬抗了。所以需要在地面搭建大型真空低温试验罐，模拟-230℃的极端环境，对每一个部件进行耐寒测试，确保它们能在太空 “扛过” 黑暗期。
鹊桥的研制周期仅30个月，且受运载火箭运力限制，整星重量严格控制在448.7 公斤以内。所以，工程师们必须在螺蛳壳里作道场。想进办法去缩小体积，减轻重量。比如说那些电子设备是不是能够合并一下？把多个芯片集中到一个模块里边，这样体积就可以缩小到50%，重量也可以减轻40%
另外咱们尽量采用3d打印技术来减轻重量。因为只有采用3d打印技术，你才能够设计出中空的结构。比如说星敏传感器的支架如果不采用3d打印的话，重量是0.46公斤，采用3d打印的话仅有0.19公斤，减重59%，而且强度还不保持不变。这就叫蚊子腿也是肉，整个探测器上上下下，如果尽量采用3d打印技术，那么重量就可以大大减轻了。
银河系21厘米波段的射电图像，大致可以看出氢元素的分布，也就是物质分布
当然了，咱们国家抠门儿是抠到了极点。所以鹊桥中继卫星也是一颗多用途卫星，它可不仅仅是干无线电中继这种单纯的工作。它还搭载了由荷兰研制的低频射电探测仪，能在100kHz~80MHz的频段内，捕捉低频射电信号，包括地球电离层辐射、太阳活动、太阳系大行星磁场辐射，以及银河系甚至更遥远星系的射电信号。由于月球背面没有地球无线电干扰，所以这地方成了开展低频射电观测的 “天然实验室”。科学家们还计划将鹊桥的观测数据和欧洲地面低频阵列的观测数据结合，开展干涉测量。
宇宙大爆炸以后1~10亿年这个阶段，宇宙是一片黑暗，因为最早的恒星还没有点燃，实在是没有什么明亮的光源。那时候宇宙里到处都是中性氢原子，这些原子里的电子在两个能级之间发生跳跃的时候，会发射出1420Mhz的无线电信号，波长21厘米。如今为啥常用的无线电频率都躲开这个波段，就是为了照顾射电天文学。这个波段恰好可以顺畅地穿过大气层，穿过宇宙尘埃，所以就成了天文学家重点关注的波段。
宇宙的黑暗时代想象图
当第一批恒星被点亮的时候，宇宙的黑暗时代就结束了。第一批恒星发出的大量紫外线会使得本来是中性的氢原子发生再度电离。也就是电子被从氢原子里扯出来，变成了自由电子。这个过程会在在21厘米波段留下无线电信号痕迹。随着宇宙不断膨胀。宇宙早期产生的这批21厘米波长的微波信号的波长被大大拉长了。已经降低到了很低的频率。所以才要探测100k~80Mhz的无线电频率。
所以啊，我们如今再去接受这批信号，就必须到低频段去找，可惜低频段是干扰最严重的波段。收音机啦，广播电台啦，都在这个波段。你在地球上接收信号的话，就必须采取大量的噪音剔除手段。欧洲人在很多国家建立了很多接受天线阵列，把各地的信号收集起来，做统一的研究。这东西还不是常规的干涉测量能解决的。
无线电广播发射塔
巧了，鹊桥中继卫星所处的位置足够远，那里基本上没干扰。所以，在那里接收低频信号，具有非常优越的条件，起码比地球上强多了。
对了，鹊桥”还携带了一个大尺寸空心角反器，用于开展超远距离激光测距试验。此前，人类最远的激光测距是地月之间，大概是38万公里。而鹊桥运行在距地球 48万公里的晕轮轨道。所以这项试验就把激光测距的距离提升到新高度。通过测量激光在地球与鹊桥之间的往返时间，能更精确地计算地月距离、检验广义相对论，同时为未来火星探测等等更远距离的航天器测距技术积累经验。
当然，鹊桥还带了照相机之类的仪器，这种东西算是探测器必不可少的选项。总之，它在太空里要工作足足5年时间，绝对不是只干通信中继的工作。
2018年5月21日，鹊桥中继卫星由长征四号丙火箭发射后，先进入地月转移轨道，中间飞行了大概4天。星箭分离以后，先是太阳电池板展开，然后就是抛物面天线顺利解锁展开，卫星建立了正常飞行姿态。
从地球飞往月球的过程持续了大概4天。5月25日，鹊桥中继卫星在距离月面100公里的地方实施近月制动，四台20牛顿的轨控发动机点火912s后，正常关机，进入月球到L2点的转移轨道。前前后后，经过5次精准轨道控制，6月14日，鹊桥最终成功进入到了围绕L2点的晕轮轨道，成为世界首颗运行在地月L2点晕轮轨道上的航天器。
鹊桥号在进入晕轮轨道之后，就开始了在轨测试工作。通信天线能不能精确指向啊？你总要测试一下吧，总要校准一下吧。这些零七八碎的工作到7月20号就全部完成了，下一步就是等着嫦娥4号的发射。毕竟它最主要的工作还是为嫦娥4号提供无线电中继服务。从鹊桥号的就位到嫦娥4号的发射中间还有半年时间呢。所以鹊桥号就只好先等着再说。
鹊桥号发射的时候，因为长征四号丙运载火箭尚有余力。所以搭载了两颗小卫星，也就是龙江1号和2号。它俩可不是去拉格朗日点，它俩是绕着月球飞行。这两颗小卫星是哈尔滨工业大学牵头研发的，所以才叫龙江1号和2号。这两个家伙真的很小，只有47公斤。
龙江1号和2号
同样，都是在5月21号，这两颗小家伙也和火箭末级分离了。一开始它们走的轨道和鹊桥中继卫星是一模一样的，都是地月转移轨道，咱们先奔着月亮去。到时候鹊桥中继卫星自己走自己的，这两颗小家伙独自完成近月制动轨道调整，最后进入一个近月点300公里，远月点3000公里的长椭圆轨道。两个小家伙彼此相隔10公里，要对月球表面进行联合无线电干涉测量。
按照计划，5月22号，地面团队指挥龙江1号卫星上那个五牛顿的小发动机开机进行轨道修正，但是没想到轨道修正以后，龙江1号直接就不见了，没信号了。这下地面控制团队可就抓了瞎了，因为龙江1号和龙江2号是一模一样的孪生星。如果龙江1号的控制系统有bug，那么龙江2号一定也有bug。那么问题就来了。龙江2号要不要开发动机修正轨道？如果不修正肯定进不了环月轨道。如果要修正，可能直接就不见了。一个艰难的抉择就摆在了地面测控人员的面前，他们到底该怎么办呢？
我们下回再说。
来源：科学史评话吴京平