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1 # 酔語
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2 # 物原愛牛毛1
親愛的朋友,你完全弄錯了。中繼星不是在圍繞著月球旋轉,它是在地月拉格朗日L2點的Halo軌道執行。你在題目描述中插入的圖片中的EML2指的就是地球Earth和月球Moon間拉格朗日L2點的意思。它不是隻有在嫦娥頂上的時但才能接受。它不但接受月背上的嫦娥訊號,還接受地球的訊號;它不但接受它們的訊號,還向它們傳送訊號。為了講明白這個問題,下面先講講“鵲橋”中繼星的軌道。
由於潮汐鎖定的原因,月球一直以同一面對著地球,因此我們把對著我們的叫月球正面,把永遠看不到的那一面叫做月球背面,而美華人叫做月球遠端。中國想探測月球背面,準備把嫦娥四號月球探測器軟著陸於月球背面。但有一個難題,那就是通訊問題。月球不是籃球,月球巨大的身體阻擋了月球背面的探測器與地球的通訊,嫦娥四號月球探測器的軟著陸月背和探測離不開地球的指揮控制,它們之間的通訊必須暢通。為了解決這一難題,決定任務分兩次發射,先發射中繼星,隨後再發射嫦娥四號。中國於2018年5月21日先期發射了“鵲橋”中繼衛星,經過長途跋涉中繼星最終被安置在了距地40多萬公里的地月拉格朗日L2點的Halo暈軌道,隨即與地球、月球開展中繼通訊和科學技術試驗,與地球建立雙向通訊鏈路。這個地月拉格朗日L2點是什麼意思?原來法國數學家拉格朗日於1772年推導證明:任意兩個大物體之間必然存在使很小物體在兩大物體引力作用下保持相對平衡靜止的點,這樣的點共有5個,分別命名為L1――L5,位置如圖所示:對於我們地球和月球來說,地球和月球就是兩個大物體,“鵲橋”中繼星就是那個很小的物體。
如果往這些點上發射中繼星,不但相對於地月靜止,有利於永久穩固通訊,而且還省不少燃料,更重要的是隻需發射一顆。中國選擇在L2點放置中繼星是因為5個點中只有L2長久在月球的背面,這在圖中可以看出。但L2點和地球、月球在一條直線上,L2點被月球擋住了,根本看不到地球,這樣是無法與地球進行通訊的,所以中國科學家為“鵲橋”中繼星設計了Z向振幅約1.3萬公里圍繞L2轉動的Halo暈軌道,軌道形狀是一個非共面的三維非規則曲線,不同於普通衛星的橢圓軌道,象日暈月暈。軌道控制非常複雜,中國在世界上率先突破掌握地月中繼衛星的這一技術。這樣“鵲橋”中繼星在這個軌道上既能同時看到地球月球,又能長時間看到地球和月球背面,長時間看到月球背面的嫦娥四號。能幾乎連續接受嫦娥四號的訊號,根本不存在只有在嫦娥頂上才能接受它的訊號的事,因為“鵲橋”中繼星一直在嫦娥的“頂上”。
從以上的圖片和敘述可知,“鵲橋”中繼星並沒有圍著月球轉,說起來它是地球的衛星,它相對靜止於月球並一直伴隨著月球繞著地球轉,只不過它在繞地球的公轉軌道上翩翩起舞。
2018年12月8日,中國在西昌成功發射了嫦娥四號月球探測器,器箭分離後,嫦娥四號與“鵲橋”中繼星成功建立雙向通訊鏈路,經過近一個月的飛行,於2019年1月3日成功軟著陸於月球南極附近艾特肯盆地的馮.卡門撞擊坑,隨後兩器分離,任務取得圓滿成功。
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先說答案
中繼星並不是圍繞月球在轉,雖然它自己也有軌道(Halo軌道),但它基本上是一直都在嫦娥四號頂上的,基本上可以一直開展中繼工作。下面我發出來兩個動圖(來自網路),應該可以比較形象的說明中繼星的運轉和工作情況。圖一中的綠色圈圈就是中繼星的運轉軌道,星體是月球。
以下詳解首先,我們來了解一下拉格朗日點拉格朗日點即為兩個天體的引力平衡點,我們不必去管拗口的術語,大致明白,在兩個天體的引力影響下,其周圍會出現像圖中標誌的5個特殊的位置(L1.L2.L3.L4.L5),衛星在這些點上收到的引力大致平衡。
為了維持中繼衛星穩定工作,將衛星發射在這五個點顯然是比較合適的,而考慮到具體科研需求、訊號中繼效率、成本、運轉穩定性等綜合因素,最終,中國選擇了L2點作為鵲橋中繼星的位置。
不過,鵲橋並不是在L2點靜止的,而是在繞著Halo軌道執行因為仔細看看上圖,M1是地球的話,M2當然就是月球,L2點仍然在地月連線上,一樣會被月球遮擋,無法傳遞訊號,這怎麼辦?
所以,我們需要讓鵲橋中繼星離開L2一定距離,與地月連線形成一定夾角,這樣就可以同時連線地球和月球,幸好,由於地球和月球的質量都不算小,其L2可以看做一個區域,而並不是一個很小的點,這樣,我們可以讓中繼星在相當大的範圍內開展工作,如下圖所示。
同時,由於引力只是近似平衡,而不是絕對平衡,這就導致中繼星需要在L2處尋找一個穩定的運轉軌道,此前,有兩種方案,一為李薩如軌道,一為Halo軌道。李薩如軌道由於並不是封閉性的週期軌道,所以被科研人員放棄,最終,確定下來了沿Halo軌道運轉的方案,也就是在本答案一開頭,我放的動圖上演示的軌道了。
這樣,中繼星可以保持同時聯絡地球和月球的能力,從而保證了嫦娥四號和地球的通訊能力。
另外,中繼星在Halo軌道上執行也並非永久性的,而是需要調整軌道避免在受到擾動時距離太遠而飛離L2點的範圍!不過這個軌道調整非常節省燃料,據估算,以鵲橋約400KG的質量計算,每年維持這個軌道的燃料不過數千克,可見這個方案也是非常經濟實惠了。
最後,附上隨著地球自轉、月球公轉過程中,鵲橋中繼星的軌跡圖,是不是像個花兒一樣?需要注意的是,雖然看起來軌跡線與月球軌道不斷的交疊,但是由於雙方並不在同一“高度”上,所以是不會出現鵲橋被月球擋住的情況的。