太空再架新“鹊桥”，向着星辰大海迈进！

3月20日，探月四期后续工程的“关键一环”——鹊桥二号中继星由长征八号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射升空。

图片来源：新华社（杨冠宇 摄）

火箭飞行24分钟后，星箭分离，将鹊桥二号中继星直接送入近地点高度200公里，远地点高度42万公里的预定地月转移轨道，中继星太阳翼和中继通信天线相继正常展开，发射任务取得圆满成功。这次发射任务的亮点有哪些？让我们来展开说明一下。

1、长八遥三，厉害在哪？

鹊桥二号中继星所选用的长征八号运载火箭是我国新一代运载火箭成员，是一型面向国际商业卫星发射市场研制的中型低温液体运载火箭。此次发射是长征八号运载火箭的第三次发射，也是该火箭首次执行深空发射任务。同时，本次发射任务也将使其成为继长征三号甲、长征三号丙、长征三号乙、长征四号丙和长征五号之后，我国的第六型执行深空发射任务的运载火箭。

长征八号是一型基于“模块化、组合化、系列化“思路研制的液体运载火箭。该箭芯一级和助推器模块与长征七号对应模块相同，使用了推力较大、成本较低的液氧煤油动力；芯二级则继承了长征三号甲系列的氢氧末级模块，兼收了氢氧动力的高效率优势。长征八号的模块化还体现在其包含基本型和单芯级两种构型。基本型采用两级半构型，由芯一级、芯二级和两枚助推器构成，基本型去掉助推器则形成单芯级构型。

长八遥三为采用两级半构型的基本型，最大高度50.34米，一级直径3.35米、二级直径3米、助推器直径2.25米，最大起飞质量356吨。火箭芯一级配备2台YF-100液氧煤油发动机，单枚助推器配备1台YF-100发动机，芯二级配备2台YF-75氢氧发动机，起飞推力约480吨。其运载能力为近地轨道8.1吨，太阳同步轨道5.5吨，同步转移轨道2.8吨，地月转移轨道大于1.3吨。

长征八号火箭是我国第一枚通过数学建模与仿真来获取全箭动特性参数的大中型液体火箭。传统火箭在研制时都会进行全箭模态试验，用实物试验获取飞行中火箭的动特性参数。而长征八号通过采用虚实结合仿真的模态综合技术，解决了箭体特征频率、振型等数据获取的难题，标志着我国运载火箭设计和制造水平的显著提升。

长征八号在发射时的一大看点就是其一级飞行段的主动减载。长征八号在结构特征上呈现出“大脑袋、细脖子”的特点，整流罩较大，其下面的二子级箭体则相对细长。这样的外形对外界横风干扰更加敏感，如果没有主动减载，就可能产生较大弯矩，造成箭体结构的破坏。

图片来源：新华社（杨冠宇 摄）

按照长征八号的飞行轨道设计，火箭将在一、二级分离前通过南海上空稠密大气层，西向的大风将对火箭飞行形成垂直作用力，对二子级施加不利的横向载荷。为此，长征八号火箭通过自适应减载控制，将发动机100%的推力降到77.5%，使得作用在箭体上的动压减少一半，保证了轻质贮箱结构对不确定风场的适应性，安全通过“危险地带”。

2、“鹊桥”还在任，“鹊桥二号”又上岗，两兄弟并肩作战更高效

说起鹊桥二号所要承担的月面中继通信任务，想必大家不会过于陌生，因为在2018年，其前辈“鹊桥”中继通信卫星就已发射升空，为嫦娥四号月背探测任务进行了通信中继保障。

众所周知，由于月球的公转周期与其自转周期一致，所以月球背面始终背朝着地球。地球与月球背面探测器的直接通信受到月球自身的遮挡而无法进行，因此执行月球背面探测任务的探测器必须依赖中继卫星与地球建立联系。

2019年嫦娥四号探测器传回的月背影像图像。图片来源：新华社

相比于鹊桥号，鹊桥二号中继通信卫星在其基础上进行了升级，整体能力和技术水平有了很大的提升。该星质量1.2吨，约为其前辈448.7千克的三倍；设计寿命8年，比其前辈整整多了3年。

鹊桥二号最显著的特征就是其头顶上安装的直径4.2米的X波段抛物面天线，这是一具在发射时折叠，进入太空后像伞一样展开的折叠天线。该天线通体金色，用于与月面探测器进行通信，继承自鹊桥号，指向控制精度优于0.03°。

鹊桥二号还安装有直径0.6米，用于与地面数传通信的S/Ka双波段抛物面天线，能够双轴跟踪指向地面站。卫星上还装了测控用的S波段天线，以及与探测器联系的特高频（UHF）中继天线。这些天线确保鹊桥二号除了能够将探测器获得的数据和信号转发回地球，还向探测器转发地面上行的各种指令。

鹊桥二号首个“服务对象”——嫦娥六号计划落点在月球背面南极地区的艾特肯盆地，纬度高达88度，极为接近月球南极点。已经超期服役的鹊桥卫星，处于距月球约6.5万千米的地月拉格朗日L2点晕轨道，对低纬度地区通信时长尚能保证，但对高纬度就显得稍有不足了。因此鹊桥二号采用了环绕月球的大椭圆冻结轨道，倾角约55度，近月点高度200公里左右，远月点16000公里左右，远月点位于月球南极的一侧，相比于“前辈”更加靠近于月面探测器。

（图片来源：央视新闻）

也许有人会问：如果鹊桥二号只能在接近月球南极上空时才行实现中继，那么在这段保持通信的时间里，能顺利完成采样任务吗？这次选用大椭圆轨道，主要目的是希望卫星在月球南极上空获得更长的中继通信时间，尽管不能够持续保持在月球南极上空，但足以为月面探测器保持一个足够长的通信弧段。而处于拉格朗日L2点的鹊桥号尽管理论上对于月背全时可见，但是月球南极附近与其通信时，天线仰角过低，很容易受到山峰谷地等地形的遮蔽影响造成无法通信。此外，维持该轨道消耗推进剂极少，从而保证了卫星更长久的使用寿命。

别忘了，“鹊桥二号”这次出征还带着两位“保镖”——天都一号、天都二号通导技术试验星。双星将随“鹊桥二号”月球中继卫星一同进入地月转移轨道，择机分离后，将编队飞行于环月大椭圆冻结轨道，开展导航系统空间基准异源标定、通信系统高可靠传输与路由转发、通信测距一体化调制等新技术验证。

鹊桥二号还搭载了极紫外相机、阵列中性原子成像仪、地月VLBI系统等一系列先进设备，这些设备将助力科学家们深入探究月球背面的地质结构、化学成分等奥秘。

3、载人登月、火星采样，缺了中继星可不行

此次鹊桥二号的发射只是个开始，从更长远的角度来看，它还是我国未来将要构建的深空网络的一部分。

嫦娥六号任务完成后，鹊桥二号将会择机调整轨道，从而为嫦娥七号、嫦娥八号以及后续月球探测任务提供服务。此外，鹊桥二号还要接力鹊桥号，为在月球背面执行探测任务的嫦娥四号和玉兔二号提供中继通信服务。

在今年初的第74届国际宇航大会（IAC）上，我国透露了后续将开展发射鹊桥三号系列卫星与鹊桥二号组网的任务。先在环月球空间和地月拉格朗日点组成航天器中继网络，后期根据计划进行扩展，形成太空星际空间中转站，通过定期轨控保持轨道稳定性，可实现对月面着陆器、巡视器的中继通信覆盖，提升空间网络传输能力。

鹊桥二号等中继卫星的发射和深空网络的构建，还将为月球科研站提供稳定的通信和数据传输服务，推动科研站的建设进程。

此外，我国未来包括近地小行星采样返回、火星取样返回、木星探测等的深空探测任务，均需要后续中继星的通信支持。在整个鹊桥星座建设之后，我国将实现深空通信，不仅是月球上面具有信号，还将支持火星，金星网络，在这些星球上都可以传播信号，通过高速激光链路提供信号。

九天揽月，筑梦苍穹。时值春分，愿我国的航天事业如春光灿烂，探索宇宙的脚步更加铿锵。

作者：于远航 北京宇航系统工程研究所高级工程师

审核：刘勇 中国航天科普大使，中国空间科学学会科普工作委员会主任，中国科学院国家空间科学中心研究员

出品：科普中国

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