“鹊桥”在西昌发射成功

探月工程总设计师吴伟仁到西安分院检查嫦娥四号中继卫星研制情况 宏伟 摄

本报记者 周生来 通讯员 张昊

2018年5月21日5时28分，嫦娥四号中继卫星——“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射，它将在地面测控站与未来着陆月球背面的嫦娥四号探测器之间，搭建一座数据信号的桥梁，为嫦娥四号提供卫星“中继服务”，是名副其实的“嫦娥先行官”。

嫦娥四号任务计划于2018年执行两次发射，包括此次发射嫦娥四号中继星以及下半年将发射的嫦娥四号探测器。嫦娥四号探测器将降落在月球南极附近的艾特肯盆地，如果该任务取得成功，中国将实现世界首次在月球背面软着陆和巡视探测。嫦娥四号中继星“鹊桥”卫星的升空定轨，将为后续人类实现飞行器首次月球背面着陆做好前期准备。

为什么要先架“鹊桥”

由于被地球潮汐锁定，月球只能永远以同一面朝向地球。人们在地球上从未见过月球背面，如果没有“鹊桥”帮忙，月球背面的嫦娥四号探测器的通信信号受月球球体阻隔，无法实现与地面的联系。搭一座“鹊桥”，就建立了要在月球背面着陆的嫦娥四号与地面测控网络的联系，帮助揭开月球背面的神秘面纱。嫦娥四号的专用中继卫星“鹊桥”发射到位于地球、月球延长线上的地月拉格朗日L2点，让月球处于地球和中继卫星之间。这样，“鹊桥”既能“看到”月球背面，也能“看到”地球。利用中继星实现地球与月球背面的通信，这在世界范围内也是第一次实现，是中国人的创举。位于西安航天产业基地的航天科技五院西安分院（以下简称西安分院）为“鹊桥”研制了测控分系统、中继通信分系统及天线分系统，部件级产品国产化率100%，完全实现自主可控，可以有效保障“鹊桥”从升空那一刻起到在轨运行全阶段各类重要数据信号的传送和重要功能的实现。

怎么保证45.5万公里的星际长途飞跃不失联

“鹊桥”要架设在距地球约45.5万公里的拉格朗日L2点，这么远的距离，如何保障嫦娥四号中继卫星顺利实现星际穿越、时刻与地面保持联系，这就得靠西安分院研制的测控分系统了。

从“鹊桥”坐在火箭上点火升空那一刻开始，测控分系统就立即开机工作，保证“鹊桥”和地面的联系，将“鹊桥”的飞行路线、飞行姿态等各种重要数据实时传回地面，同时，地面人员也可以通过测控分系统对“鹊桥”发出相关的指令。一般，地球同步轨道卫星距地面3.6万公里左右，对卫星飞行阶段和在轨运行阶段的测控手段相对容易一些。嫦娥四号中继卫星由于飞行距离远，测控难度加大，这是因为通信信号将随着飞行器长途奔袭的距离的增大而减弱，同时，嫦娥四号中继卫星的飞行轨道复杂，要经历多次的变轨和调整才能飞达终点，传统的测控手段已经不能满足完全需求了。

为此，西安分院的设计师们采用了前所未有的创新性设计手段，满足了复杂多变的入轨过程需要，在不同的入轨阶段设计了相应的工作模式，保障地面对“鹊桥”的可控。如果没有这项设计，嫦娥四号中继卫星在飞行过程中的位置、姿态如出现偏差就可能造成收发信息不准确。为了保证信息传输的准确性，西安分院所采取的创新性设计这时就发生重要作用。测控分系统提供的多个安全备份遥测遥控指令就好比让嫦娥四号中继卫星这个人类的“孩子”带了好几部手机，“地球母亲”同时给这几部手机打电话，发出相同的遥测指令，避免了因为距离远或其他太空因素造成的信号中断、信息传送不准确等问题。”

除了多带几部“手机”，测控分系统中的S频段数字化深空应答机更是对嫦娥四号中继卫星进行测控的有效保障。S频段数字应答机是我国首台数字化深空应答机，具有对错误数据自我修正的功能，保证了地面对卫星测控的准确性。数字化应答机凭借着更高的灵敏度和更强的信号捕获能力，为模拟深空应答机提供坚强后盾支持，为整星测控的可控性提供了保障。

“鹊桥”上的大天线

嫦娥四号中继卫星是一颗重量400多公斤的“小”卫星。可是在这颗“小”卫星上却有个“大”家伙——大口径伞状天线。

为了实现和保障“鹊桥”中继功能的顺利实现，研制人员给它配备了多副天线。其中，大口径伞状天线是最关键的一副，它直接指向月球，与嫦娥四号探测器对接，不仅要将地面的测控指令说给探测器听，还要听清楚探测器给中继星说了些啥。伞天线，顾名思义，像一把伞一样，在中继星与火箭分离一段时间后，这把“伞”就打开了，这把“伞”在太空中需要经历严酷的考验。嫦娥四号中继星在浩瀚的太空中还会经历一段没有光照的阴影区，阴影区的温度是-200℃左右，最冷的地方将达到-230℃，在如此严寒下，伞天线全身都“冻僵了”。为了让它从“冻僵”的状态中恢复过来，西安分院的设计师们做了包括力学、热学等不计其数的试验，有效保障了伞天线能够克服严酷环境，顺利展开。

据西安分院副总工程师、嫦娥项目指挥陈岚介绍，伞天线研制较难，国际上，仅有少数几个国家能实现伞天线的研制。此次嫦娥四号中继卫星身上带的这把“伞”是国际上第一次将大口径伞天线成功应用于深空探测的成功案例。

那些年，我们走过的探月之路

西安分院主管科研生产任务的和新阳副院长表示，“鹊桥”的成功搭建，使得中国成为世界上第一个向深空发射中继卫星的国家。未来，“鹊桥”还可能为我国及其他国家深空探测提供服务，有了这座“桥”至少可以节省45.5万公里的太空通信距离。我们的深空探测也进入新时代。

而在这之前，航天五院西安分院投入了大量科研力量，为已经发射成功和开展实验验证的嫦娥一号、嫦娥二、嫦娥三号、嫦娥五号飞行试验器提供了大量关键系统产品。我国的探月工程分为“绕”、“落”、“回”三个步骤，目前已实现了“绕”和“落”。在探月工程任务中，西安分院承担了关键的系统产品，为实现探月工程前两步的实现发挥了关键的作用，研制的数传系统设备，先后传回了我国第一幅月面图像、第一幅虹湾月面图像、第一幅着陆月球、玉兔月面行走和嫦娥三号与玉兔“两器互拍”图片，人类第一幅距地7500万公里处图塔蒂斯小行星的图片；研制的X频段测控应答机成功验证了我国深空测控体制，测控全向天线和信标天线为掌握嫦娥系列卫星与地面的通信及定位、定轨工作发挥了重要作用；研制的测距测速敏感器（也称落月雷达）为嫦娥三号实现落月悬停和月面软着陆作出重大贡献。西安分院先后被评为首次探月工程突出贡献单位、嫦娥二号探月工程突出贡献单位，西安分院雷达所被授予探月工程嫦娥三号任务突出贡献单位荣誉称号，多名科技工作者受到党和国家表彰。

在探月工程历次任务中，西安分院航天人研制的关键载荷设备为探月工程每一步任务的推进发挥了关键的作用，后续将继续承担探月工程重要任务，在未来将作出更多更大的贡献，为我国的重大航天工程任务继续贡献力量。

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