鵲橋正當空——中國小衛星有大發展

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導讀

2018年12月30日，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。

登月，萬事俱備。

本期主要和大家聊一聊鵲橋號中繼衛星。讓我們一起看看，運行在月地L2點暈軌道的「鵲橋」，到底有什麼本事。

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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」，到底有什麼本事。

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，為了實現那麼重大的目標，在那麼複雜的軌道上運行，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制動，高達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」遊刃有餘。

近月制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，執行近月制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「卸載」，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卸載，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卸載。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鎵太陽電池陣，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雜訊功率之比，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平。

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平低，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「壽命那麼短，越搞和國外差距越大，中國航天還有什麼希望？」

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。」

姜太公釣魚，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年的世界水平，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，都還有一半的餘量。

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，那是科技水平長年一騎絕塵的美國。

Terra衛星 | 圖片來源 @NASA

本世紀初設計水平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單位，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單位，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群星閃耀。

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。

為深入貫徹落實十九大精神，促進全民科學素質提升，盤點年度科學傳播典範，中國科協、人民日報社聯合組織開展「典贊·2018科普中國」活動。活動目前已完成徵集和初評，為進一步擴大活動的影響力，現對初評選出的20位科學傳播人物、20個網路科普作品、20個科學傳播事件、20條「科學」流言和20個科普自媒體共計100個候選項進行網路集贊。最終經專家評審，評選出典贊·2018科普中國十大科學傳播人物、科學傳播事件、「科學」流言終結榜、網路科普作品、科普自媒體。

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