嫦娥奔月工程中继西昌卫星发射基地为何定位于L2?

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-05-22 04:47 标签： 西昌卫星发射基地

人民网北京5月21日电 “嫦娥奔月”这一家喻户晓的神话故事，讲述着中华民族千百年来好奇宇宙、探索月球的美好夙愿。2013年底，“嫦娥三号”成功实现了在月球正面的软着陆并完成了巡视探测任务，树立了中国探月史上的一座丰碑。这一成功，进一步激发了我国对月球背面开展科学探测和登陆巡视的信心。2015年11月30日，探月工程重大专项领导小组批准嫦娥四号任务组织实施，标志着月球背面登陆探测的正式开始。2018年5月21日，由中国航天科技集团研制的嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射，迈出了我国月球背面登陆的关键一步。

众所周知，宇宙中的天体都处于自转的状态，月球也不例外。然而，月球在自转的同时，也在围绕着地球公转，这两种运动恰好达到了一种平衡，导致了月球永远都只有一面面向地球，而另一面则永远处于背向地球的阴影中。因此，月球“背面”探测成为航天事业中的一个热点和难点。美国、欧洲各国等都提出过探测月球背面的计划，但由于种种原因，最终都未能实施。目前，人类还没有探测器到达神秘的月球背面。

为什么要研制发射中继星“鹊桥”？

月球背面登陆探测面临着一个很大的难题，那就是由于月球本身的遮挡，运行到月球背面的着陆器和巡视器无法与地球之间进行通信，可谓是“两眼一抹黑”。因此，如何解决着陆器和巡视器在月球背面时与地球之间的通信就成为进行月球背面登陆探测的关键难题。

“鹊桥”的本质是一颗地月中继通信卫星。通过发射中继星“鹊桥”，可以以“鹊桥”为通信中继点，从而绕过月球实现着陆器和巡视器与地面之间的通信。正因如此，中继星“鹊桥”与地球和月球背面之间都必须无遮挡，这对“鹊桥”的运行轨道设定了较高的要求。

“鹊桥”的运行轨道是怎样的？

每一颗卫星在宇宙中都有自己的运行轨道，例如地球同步轨道、太阳同步轨道等，中继星“鹊桥”也不例外。“鹊桥”的运行轨道为绕地月L2平动点的Halo轨道。这一运行轨道具有长期与月球背面可见、地球方地面站对中继星跟踪弧段长、轨道维持代价较小等优点。

所谓“地月L2平动点”，也称作地月拉格朗日点，是指在地球和月球这一二体旋转系统中的引力动平衡点。根据研究，在地月二体旋转系统中共存在五个平动点，运行于这五个平动点的探测器可以以较低的消耗维持与地月二体旋转系统几何构型不变。其中L2平动点处于月球背面的地月延长线上，可实现地球与月球背面的中继通信功能。

至于Halo轨道，则是由美国人Farquhar在1967年提出的概念，根据Farquhar的构想，如果在这一轨道上放置一颗中继通信卫星，可以为月球背面着陆的探测器提供通信中继服务。基于这一构想，美国NASA航天局曾计划在阿波罗17号任务中进行实施，但最终由于风险较大等原因而放弃。

“鹊桥”是如何实现中继通信功能的？

中继星“鹊桥”由平台系统和载荷系统两部分组成，装载有伞状抛物面天线、测控天线和数传天线三类低频射电天线。其中，伞状天线展开直径可达近5米，是人类深空探测任务史上最大口径的通信天线。

中继星“鹊桥”采用对地链路统一，对月链路独立的设计方式。针对地面发送的中继星及月球探测器上行指令与数据，统一使用一条链路；中继星与月球探测器的下传数据统一使用一条链路。中继星向月球探测器转发指令和数据分别使用一条独立链路，接收月球探测器数据时也分别使用一条独立链路。

“鹊桥”的成功发射具有哪些重要意义？

中继星“鹊桥”是中国航天科技集团自主研发的地月中继通信卫星，同时也是人类历史上第一颗地球轨道外专用中继通信卫星，也是第一颗在地月L2平动点上采用Halo轨道的卫星。“鹊桥”的成功发射，标志着我国率先掌握了地月中继通信技术，这是我国在月球探测领域取得的新突破。

此外，中继星“鹊桥”的成功发射，为后续嫦娥四号成功着陆月球背面开展探测任务奠定了关键性的基础，为嫦娥四号探月工程的圆满完成提供了有力保障。

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月球是距离地球最近的天体，也寄托了人类许多的美好情感，其中“嫦娥奔月”的神话传说最为人所熟知，但即便如此，人类对它的了解仍然非常有限。5月21日05时28分，我国成功将探月工程嫦娥四号任务鹊桥号中继星发射升空，将于今年发射的嫦娥四号将是全世界首次登陆月球背面的航天器，有望全方位揭开月球背面的秘密，这使得月球背面是否有外星人再度成为热门话题。而美国作为第一个成功并且多次登上月球的国家，为何没有选择登陆月球背面呢？难道美国真的在月球上偶遇了外星人？

中国将登陆月球背面，外星人再成焦点

早在1969年美国宇航员就实现了登月计划，成为第一个登上月球的国家，轰动了全世界。如今，我国的嫦娥四号即将踏上首次月球背面，一直以来关于“月球背面”的各种传言再次甚嚣尘上。

在一些科幻作品中，月球背面是外星人基地，从月球背面图像中可以识别出外星人的宇宙飞船，甚至美军在“二战”末期失踪的轰炸机也出现在了月球背面。

月球背面是否有外星人，再度成为热门话题

还有人说，阿波罗登月的宇航员在月球背面见到了令人吃惊的物体，可能是外星人在月球上的遗留物，正是对外星人强大科技的“畏惧”，促使美国宇航局放弃了载人登月任务；也有传言称，月球内部是空心的，里面是外星人居住的巨大城市。而科幻电影中月球背面的故事更加离奇，好莱坞大片《变形金刚》的系列故事，就架构在月球背面的外星人基地之上。

不仅如此，刚刚去世的英国科学家霍金也曾不止一次的警告地球人停止一切登月计划，因为他认为这样做可能会激怒外星人，给地球带来灾祸……但事后很快证明，霍金并没有发出过这样的警告，整个事件根本就是一个假新闻。

然而这样明显的一个假新闻还是能让很多人信以为真，其实根本原因是人们对“月球背面”不了解。不了解就会觉得神秘，进而演变出来各种各样关于月球背面的传说。

那么，月球背面到底有什么呢？

月球背面已揭开面纱，只缺人类登陆

由于月球自转与公转的周期相等（称为“潮汐锁定”），因此月球始终以同一面朝向地球，人类从未见过月球背面。

有关月球背面外星人等的神奇传说，多源于航天器探月之前。在没有月球探测器之前，月球背面一直是一个神秘的未知世界。

但即便在航天器数十次飞临月球背面，获得大量影像资料之后，科幻迷们仍然能从放大后略显模糊的图像中找到线索，为这些传言提供佐证。

月球背面已揭开面纱，只缺人类登陆

其实，早在1959年10月7日，前苏联的月球3号探测器就曾首次环绕月球并看到了月球背面，发现那里比起正面并无特殊之处，只是有更多的环形山、陨石坑和荒漠。1960年，前苏联就发布了月球全地图，随后的美国探测器也完全验证了这些研究结果。中国发射的嫦娥一、二、三号，同样也都拍下了月球背面的照片。

月球背面对研究月球的起源和演变、调查月球地质和资源情况等有重要作用，同时因为不受来自地球的无线电波干扰，是建造科研基地的理想圣地。

实地探索月球背面的科学价值、工程价值与月球正面大不相同。在工程方面，月球南极存在永久光照区，对这一地区的探索有助于解决探月活动中的能源问题；月球背面还有永久阴影区，存在固态水冰，水电解后可以生成氢和氧，这对建设月球基地十分重要。

因此，如果能通过探测确定月球两极是否有水和其它资源，不仅能作为月球基地选址的重要参考，也有助于下一步把月球作为跳板进行载人火星探测。因为水对深空探测太重要了，不仅能维持航天员的生命，还能分解成氢和氧作为飞船的燃料！

美国为何没有登陆月球背面？

冷战时期的苏联和美国，就是最早启动探月计划的国家。

1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗11号”登陆月球，这是人类第一次踏足月球。21日阿姆斯特朗迈出登月舱时，说出了他的那句名言：“这是我个人的一小步，但却是全人类一大步！”在此后，美国先后有12名宇航员登上了月球。人类迄今为止也只有这12人登上了地球以外的天体！

美国宇航员登陆月球，为何没去月球背面？

但后来随着科技的进步，作为世界霸主的美国就再也没有提过登月的这件事，更不用说登陆月球背面了，难道真的是因为美国发现了外星人？

其实，美国国家航空航天局同样想要探访月球背面，而且最好是由机器人进行探访，让它将具有纪念意义的岩石带回地球，供科学家直接进行实验室分析。

但是，选择在月球背面着陆，将遇到一个现实的困难，即月球背面通信信号隔绝，无法与地球沟通联系。此前，美国国家航空航天局和欧洲航天局就是在这个难题上迟疑不决。

另外一个原因，美国当年登月计划的时候，有一个很大的原因为了在太空竞赛中击败苏联，在苏联强大的压力下，美国全国上下一条心全力保障登月计划的成功，可谓不计代价。后来苏联解体，对手就不存在了，美国探索月球的脚步也就放缓了。

但也许因为中国正在展开宏大的探月行动，美国已再次重拾其探月计划。时隔45年，2017年12月，美国总统特朗普签署了一项政策指令，要求美国宇航局将宇航员送回月球。

时隔45年，特朗普重启美国登月计划

5月9日，在出任NASA局长后的首次公开演讲中，吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）向航空航天界发出了一个简短而明确的信息：我们要登陆月球。NASA已经启动登陆月球的计划，要求商业性太空公司帮助它把科学仪器发射到月球表面。通过与商业性太空技术公司合作，NASA希望降低对月球进行研究的成本，在2020年代中期再次实现载人登月。

但在之前的4月23日，美国已投入研发约10年的资源勘探者登月计划突然被终止，更让人惊讶的是，这是NASA目前唯一正在开发的月球探测车。愤怒的科学家们致信NASA，要求维持这一项目。取消资源勘探者意味着埃隆马斯克可能需要再等一段时间才能建立月球基地，这也意味着NASA将不得不从头开始，以便让宇航员重返月球。

显然美国最近的出招有些乱，也在登陆月球背面问题上遇到了技术难题，那么中国为何还选择登陆月球背面呢？

中国为何要登陆月球背面？

相对于美国和苏联，中国的探月工程起步较晚。我国的探月计划又叫“嫦娥工程”，月球探测器叫“嫦娥号”，月球车叫“玉兔号”。现代科技与神话故事如此直接地联系了起来。

为何要启动探月工程？其中一个初衷就是来自于千百年来人们的愿望，以及对地球这个唯一卫星的好奇。毕竟，从科学角度讲，我们对这个距地球有38万公里的星体，了解还十分有限。比如它的身世，它的结构，以及它永远“秘不示人”的背面等。

2018年年底，我国将发射世界首个落在月球背面的探测器——嫦娥四号。嫦娥四号原来是嫦娥三号的备份，由于嫦娥三号落月探测器出色完成了预定任务，所以嫦娥四号究竟干什么曾在较长一段时间内不能确定，因为有关专家意见不一致，为此论证甚至争吵了2年，分歧的核心是嫦娥四号是落在月球正面还是背面？

“嫦娥”系列月球探测器总指挥兼总设计师顾问叶培健院士则称，因为嫦娥三号已经落到过正面了，再去落一次有多大意思？叶院士认为，落到月球背面，如果成功了是一大亮点；如果不成功，因为这是人类第一次，也可以原谅。先不要讲什么科学意义、技术带动，单从逻辑学上看，落到月球背面的科学意义就是一句话：背面没去过！

嫦娥四号的工程目标是：在复杂地形环境条件下的安全着陆，进行地月拉格朗日2点远距离中继通信，开展同位素温差发电与热电综合利用。其科学目标是：对月球背面的环境进行研究；对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究；用低频射电探测仪探测宇宙天体。

即将升空的嫦娥四号与嫦娥三号一样，仍由着陆器和巡视器（又叫月球车）组成，它们所使用的平台也基本相同，但是因为嫦娥四号与嫦娥三号科学目标差异很大，因此两者所装载的科学探测设备有明显变化，其中最主要的特点是装载了几台国外科学载荷，例如，德国月表中子与辐射剂量探测仪、瑞典中性原子探测仪。

在太空探索领域，国际合作属于大势所趋。2017年，北京理工大学邓玉林教授团队研制的“空间环境下在PCR反应中DNA错配规律研究的科学载荷”在美国佛罗里达州肯尼迪空间中心乘坐龙飞船送往国际空间站。据称，这是中国空间科学项目首次登入国际空间站，实现了中美空间科学合作“零”的突破。

探测月球，就是人类探测茫茫宇宙奥秘的第一站。月球背面作为理想的科研圣地，如果能在这里建立基地，将为接下来的深空探测奠定重要基础。

美国做不到的，中国先做到了

美国因为月球背面通信难题而犹豫不决，而中国，已经找到了解决这一难题的办法。

5 月21日05时28分，我国在西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭，成功将探月工程嫦娥四号任务鹊桥号中继星发射升空。鹊桥号中继星是世界首颗运行于地月拉格朗日 L2 点的通信卫星，将为年底择机实施的嫦娥四号月球探测任务提供地月间的中继通信。

地月“拉格朗日点”，解决月球背面通信难题

着陆在月球背面的探测器由于受到月球自身的遮挡，无法直接实现与地球的测控通信和数据传输。鹊桥号中继星将在地月连线延长线的“拉格朗日2点”（ L2 点）附近，围绕 L2 点飞行，在这里设置一个卫星，既能“看到”月球背面，也能“看到”地球，可实现对地、对月中继通信，保障嫦娥四号任务实施，其到月球的平均距离约为 6.5 万公里，距地球 40多万公里。

拉格朗日点又称为平动点，于 1772 年由法国数学家拉格朗日推算得出，是指一个小物体在两大物体的引力作用下，小物体相对于它们基本保持静止的空间点。该空间点有五个，分别为L1、L2、L3、L4、L5。在拉格朗日点上，探测器消耗很少的燃料即可长期驻留。

美国曾设想在L2点建空间站，可惜未能如愿

鹊桥号来源于中国民间流传千古的牛郎织女传说，而如今的鹊桥号则是中国航天人用自己的辛勤、智慧和汗水设计建造的地月信息联通的“天桥”，可以有效完成地球和“嫦娥4号”探测器之间的信号和数据传输任务。

“鹊桥”已搭好，广寒宫里或许真会有嫦娥

今天凌晨升空的鹊桥号中继星，使得中国领先美国踏出了探索月球背面的关键一步，无疑值得所有中国人为之自豪。中国航天实力的快速增长，使得美国这个航天巨无霸，也在逐渐低下自己高傲的头颅，毕竟只靠一纸禁令并没有阻挡住中国航天前进的脚步。登月一直是中国人的梦想，“鹊桥”已经搭好，在并不遥远的2030年，中国或将实现载人登月，届时，广寒宫里或许真的会有一位嫦娥哦。

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