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嫦娥即將落月,“踏過”的鵲橋竟如此小巧

【文/ 觀察者網專欄作者 石豪】

2019年1月1日,新年的陽光灑滿大地,也灑在月球永不示人的背面。

兩天前,嫦娥四號探測器成功實施了變軌控制,順利進入近月點高度15千米,遠月點高度100千米的著陸準備軌道。

圖片來源 @新華網

登月,萬事俱備。

在與讀者朋友共同回顧了中國航天的“超級2018”後,筆者想和大家聊一聊那個能讓嫦娥四號月背之旅成行的“先鋒官”——鵲橋號中繼衛星。

這是嫦娥四號任務系列文章的第三篇,也是筆者專欄的新年第一篇,我們就來看看,運行在地月L2點暈軌道的“鵲橋”,到底有什麽本事。

大題“小”做

在上一篇嫦娥四號專欄中,筆者與各位讀者分享了鵲橋號中繼星的任務目標,和為實現目標設計的複雜軌道。也許讀者朋友會覺得,為了實現那麽重大的目標,在那麽複雜的軌道上運行,鵲橋號衛星應該很大吧?

恰恰相反,鵲橋號是一顆不折不扣的小衛星。

嫦娥四號中繼星“鵲橋”

衛星本體長寬不到1.5米,高度不到90厘米,不管是在中繼衛星圈子,還是月球與深空探測圈子中,鵲橋號衛星都是名副其實的“小個子”。

這樣一顆小衛星,要在沒有上面級幫助的情況下獨自完成近月製動,鋼彈數百米每秒的速度增量,令許多大衛星都望而卻步。

這樣一顆小衛星,要在複雜詭異的暈軌道上,隨時調整姿態,把天線對準嫦娥四號的著陸器和巡視器。

這是人類歷史上第一顆採用地月L2點暈軌道運行的應用衛星。

這就是嫦娥四號中繼星“鵲橋”。

對於任務設計的嚴苛要求,“鵲橋”遊刃有余。

鵲橋號採用成熟穩定的CAST100小衛星平台,通過深度定製,使整星既能滿足月球背面通信中繼任務需求,又能確保可靠性。整星分為平台和載荷兩大部分:

近月製動需要很高的速度增量,因此設計師為鵲橋配備了一套單組元肼推進系統,採用4台20N發動機並聯,執行近月製動和其他軌道控制指令。

為確保衛星姿態調整靈活,指向精度高,鵲橋號衛星採用了整星零動量三軸穩定的控制方式,能夠對慣性空間任意指向,指向精度與穩定度表現優異。但是,這種控制方式在運用過程中需要定期引入外力對反作用輪系統進行“解除安裝”,否則反作用輪的速度將達到飽和失去效果。

對於近地軌道的衛星,一般通過地磁場產生的磁力矩就能完成解除安裝,而鵲橋號衛星工作在距地球40多萬千米的暈軌道,無法利用地磁場,只能通過姿控噴氣完成解除安裝。為此,鵲橋號衛星安裝了12台5N發動機。

更多次的姿控噴氣,將進一步增加了推進劑消耗,因此最終鵲橋號衛星攜帶了多於100千克的無水肼推進劑——這對於一顆發射重量不到449千克的小衛星,無疑是罕見的。

為保障有效載荷與平台的電能供應,鵲橋號衛星採用了近4平方米的高性能的三結砷化镓太陽電池陣,45安時的高性能鋰離子電池組,壽命末期依然有近800W功率。

這所有的一切,都是為了與著陸器和巡視器實現連續、穩定、可靠的中繼通信,中國造的“鵲橋”,很堅固。

大材“小”用

相信鵲橋號衛星給讀者朋友留下最深刻的印象,莫過於那巨大的可展開天線:

收攏狀態的傘狀天線 | 圖片來源 @中國空間技術研究院

這個展開後口徑達4.2米的高增益傘狀拋物面天線,是人類深空探測歷史中口徑最大的通信天線。讓鵲橋號這樣一顆小衛星用上如此龐大的天線,卻是有必然性的。

在嫦娥四號的任務設計中,鵲橋號中繼星要在X波段與著陸器和巡視器分別建立通信鏈路:

嫦娥四號任務通信鏈路 | 圖片來源 吳偉仁、王瓊等 @探月與航天工程中心

評價通信鏈路性能的最基本參數之一,是鏈路中的載波功率與噪聲功率之比,簡稱載噪比,這個值越大,鏈路性能越好。

接收機輸入端的載噪比C/N可以簡單地用下面的公式給出:

在其他條件不變的情況下,載噪比的大小與發射天線的增益G_T,接收天線的增益G_R成正比。

由於嫦娥四號著陸器與巡視器無法攜帶更大的天線,增益上不去,因此只能盡量提高中繼星的拋物面天線增益,才能保證系統通信鏈路的暢通。

嫦娥四號著陸器巡視器與鵲橋號中繼星通信 | 圖片來源 @中國空間技術研究院

而拋物面天線的增益,與其口徑的平方成正比。

所以,鵲橋,盡情綻放吧。

綻放 | 圖片來源 @中國航天科技集團

通過4.2米口徑天線,鵲橋號衛星的增益達到了45dB,可實現對著陸器最高560kbps、對巡視器最高280kbps的接收碼速率。鵲橋號中繼星的對地傳輸採用S波段,中增益螺旋天線,最高碼速率超過2Mbps,如果有需要,鵲橋號還可以調轉方向,用傘狀天線直接實現10Mbps的X波段對地數據傳輸。

除此以外,鵲橋號衛星還搭載了荷蘭研製的低頻射電天線等科學載荷,可在軌展開科學探測和技術驗證試驗,真正做到“革命生產兩不誤”。

鵲橋號衛星的部分有效載荷

“小”有成就

說完鵲橋,筆者想再聊一聊中國衛星的水準。

經常有讀者和航天愛好者同筆者談起中國衛星的發展狀況,其中也不乏負面觀點。前年在和一位航天愛好者聊天的時候,對方覺得中國衛星的水準低,壽命短,上天就翻車。

筆者並沒有急著反駁,而是給這位愛好者朋友講了一個衝擊性的事實:發達國家的遙感衛星,壽命大多在8年到10年,而直到2017年,中國下大力氣、投入大量經費的高分系列衛星,竟然沒有一顆工作超過5年的!

這位愛好者朋友頓時驚呆,等他回過神來,那真是痛心疾首痛心絕氣痛心切骨,痛說外國先進中國落後,最後說道“壽命那麽短,越搞和國外差距越大,中國航天還有什麽希望?”

這時筆者才開口:“誰說壽命只有5年的?”

“你不是說沒有一顆工作超過5年的嗎?!”

“高分一號是2013年發射的,一直在軌正常工作,到今天(2017年)也才4年多啊。”

薑太公釣魚,願者上鉤。

雖說“釣魚”可恥,但那位愛好者朋友的心態,也多少具有代表性。另外,到2019年1月1日,高分一號依然正常工作,還與新發射的高分六號組網運行。

“我的內心毫無波動,甚至還組了個網”

至於中國衛星的壽命,大型高軌平台我們已經達到了15年的世界水準,低軌遙感小平台上,也有令人欣喜的突破。

在剛剛過去的2018年,一對中國雙子星迎來了它們的10歲生日。

上世紀90年代,面對自然災害監測的高時效性需求,北斗衛星的創始人陳芳允院士提出了利用小衛星星座的應對方案。

在經歷了與北斗類似的國際合作受阻後,2008年9月6日,我國自行研製的環境減災一號A/B雙星終於發射升空,每顆星的重量不到500千克,通過可見光與紅外等探測手段,結合多光譜與超光譜探測能力,實現國土範圍全覆蓋的減災與環境監測。

環境減災一號A/B雙星 | 圖片來源 @五院航天東方紅公司

雙星設計壽命3年,但一工作起來就沒黑沒白。

到2018年9月6日,環境減災一號A/B星已在軌運行10年,榮膺我國壽命最長的遙感衛星。

值得注意的是,除了B星的一個紅外譜段外,雙星的載荷依然能正常工作,為用戶提供源源不斷的數據。

更為值得注意的是,得益於精妙的軌道控制策略,雙星分別攜帶的,用於軌道維持和轉移的推進劑,都還有一半的余量。

長壽的低軌衛星在航天超級大國也是有的,美國的Terra(土)衛星就在軌服役了近20年,但那是一顆5190千克的超大型衛星,那是科技水準長年一騎絕塵的美國。

Terra衛星 | 圖片來源 @NASA

本世紀初設計水準的環境減災一號雙星,已經走過了成功的10年,在各項指標正常,推進劑尚存一半的情況下,誰說它們就不能有第二個10年?

環境減災一號衛星的研製部門,與鵲橋號中繼星一樣,是中國空間技術研究院航天東方紅衛星有限公司,這是我國小衛星領域的龍頭部門,也是東方紅一號的傳人。

高分一號、高分六號、高景一號、張衡一號……東方紅公司的名片就是共和國的恆星戰役閃耀。

中國航天從弱到強,有中國小衛星人的無私奉獻;在建設航天強國的征途中,他們是突擊隊,是生力軍。為了航天夢,為了中國夢,他們努力奔跑。

因為,他們都是追夢人。

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