鹊桥已到站，这一个月经历了些什么？

北京时间2018年6月14日11:06，在长达24天的旅程之后，嫦娥4号的通讯中继卫星鹊桥成功进入预定的使命轨道。

24天，对于探测器从地球到月球来说，可以说是非常长了，事实上，月球轨道器（也就是最终要环绕月球飞行的探测器）通常4-5天也就能到达月球并且进入月球轨道。

那么鹊桥为什么路上花了这么久时间？这还得从鹊桥的特殊轨道说起。

之前咱们介绍过，因为地球无法直接和月球背面通讯，而嫦娥4号又计划去着陆月球背面，于是通讯中继卫星鹊桥应运而生。为了更好地为地球和月球背面的着陆器/月球车提供通讯，鹊桥选择了一个非常特别的轨道——环地月拉格朗日L2点轨道，也叫L2 halo轨道或者晕轨道。关于鹊桥的详细介绍看这里：嫦娥4号中继星“鹊桥”发射成功：一桥飞架南北，天堑变通途。

鹊桥的设计位置。来源：参考文献[1]

把一只大象放进冰箱里需要几步？

三步：把冰箱门打开，把大象放进去，把冰箱门关上。

把鹊桥卫星送到地月L2 halo轨道需要几步？

也是三步：从地球飞到月球轨道，从月球轨道飞到L2点附近，从L2点附近飞进L2 halo使命轨道。

Step 1：从地球飞到月球轨道

2018年5月21日，鹊桥在西昌卫星发射基地，由长征4号丙（CZ-4C）运载火箭发射升空，之后直接被送入地月转移轨道。也就是说，鹊桥并没有经过地球停泊轨道或者像嫦娥1号那样经过调相轨道后再送入地月转移轨道，这很大程度上有赖于我国运载火箭能力和轨道控制技术的提升。

嫦娥1号经过三次调相轨道来慢慢增加轨道周期（也就是近地点速度），以达到更稳定地进入地月转移轨道的目的。作为我国的第一个探月任务，这在当时是一种谨慎而稳妥的飞行方案。而之后的嫦娥2号、3号和这次的鹊桥号，都是直接发射之后就送入地月转移轨道的。来源：新华社

从地球到达地月L2点附近，目前我们通常考虑两种飞行方案：

一种是直接转移（direct transfer），就是从地球（或者地球停泊轨道）直接经过地月转移轨道飞到L2点附近。

Farquhar (1971)设计的一条直接转移轨道。来源：参考文献[2]

另一种是月球绕掠（lunar swing-by），也就是飞经月球是借助月球引力“拐个弯”再飞到L2点附近。这种方式比直接转移要节省燃料，当然，作为代价，时间上就会略长几天。

Farquhar (1971)设计的一条月球绕掠轨道。来源：参考文献[2]

对无人探测任务来说，路上多走一两天时间根本不是事儿，而节省燃料就重要多了，因此鹊桥采用了第二种方案，也就是月球绕掠（lunar swing-by）飞行。在这种方案下，鹊桥的地月转移轨道是一个近地点200 km，远地点月400000 km的大椭圆轨道，这种方案通常需要4-5天到达月球轨道，并需要在途中进行2-3次轨道修正。

其实还有更加节省能量的方案，不过时间就一下子长多了，要三个月到半年才能到月球，这对目前的月球探测任务来说有点没有必要，不过，将来如果需要运载大量物资去月球，倒是可以采用这种方式。

5月22日，鹊桥进行了第一次轨道中途修正。

5月25日21:32，鹊桥在以距月球表面100 km的距离最近飞掠月球时点火刹车，随后关闭发动机。21:48，鹊桥确认完成近月制动并成功进入月球-L2转移轨道。也就是说，由于火箭发射和轨道控制的精确，原本计划的三次轨道中途修正，最后只用一次就修到位了。

鹊桥的设计飞行轨迹。原本计划从地球到近月制动期间要进行三次轨道中途修正，但后来只修了一次（紫色段为地月转移轨道）。此外，红色段为月球-L2转移轨道，橙色和蓝色段为L2捕获轨道，绿色段为最终的L2 halo使命轨道。来源：CASC

Step 2：从月球轨道到地月L2点附近

5月29日，鹊桥结束了为期4天的月球-L2转移轨道，成功进入L2捕获轨道。至此，鹊桥实际上已经到达了地月L2点附近，接下来需要做的就是不断调整轨道来进入最终的L2 halo使命轨道。

Step 3：从地月L2点附近到进入L2 halo使命轨道

6月14日11:06，鹊桥在完成最后一次点火制动后成功进入距离月球约65000 km的L2 halo使命轨道。

鹊桥成为世界首颗运行于L2 halo轨道的月球探测卫星。

接下来，鹊桥将在halo轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路测试。

鹊桥在使命轨道上和地球、月球背面通讯的模拟图。来源：CASC

而平行世界中的微卫星龙江1号和2号就并不总是那么顺利了。

5月21日，与鹊桥一同成功发射的龙江1号和2号在星箭分离之后就迅速和鹊桥分开了。然而，此后只有龙江2号（DSLWP-B）的信号被一些无线电和卫星跟踪爱好者们跟踪到，而龙江1号似乎失联了。

龙江2号（DSLWP-B）的无线电信号被业余爱好者跟踪到。来源：Twitter @uhf_satcom

后经国防科技工业局的官方网站公布[3]，经过113个小时的飞行，5月25日22时，只有龙江2号在预定的轨道修正和近月制动后成功进入近月点350千米、远月点13700千米的环月轨道，而龙江1号由于在地月转移轨道飞行过程中出现控制异常，遗憾未进入月球轨道。

也就是说，原本计划的双星编队飞行和变基线射电干涉测量将无法完成，只能进行单卫星低频射电探测了。但幸运的是，由沙特阿 拉伯研制的微型光学相机是搭载在龙江2号上的。

5月26日，低频射电探测仪首次开机，开始探测1-30MHz的射电天文信息，全面开展全天空辐射谱等试验与科学研究。

5月28日，沙特的光学相机首次开机，成功从月球背面的轨道上获取了地球和月球表面和的可见光影像。

首批传回的龙江2号从月球背面拍摄的地球照片。（左）拍摄于卫星轨道高度约1598.3 km，星下点月面位置为西经162°13’、北纬21°27’。拍摄到的月面影像位于月球背面北半球韦格纳环形山(Crater Wegener)附近；（右）拍摄于卫星轨道高度约728.1 km，星下点月面位置为西经149°1’，北纬22°28’。拍摄到的月面影像位于月球背面北半球彼得罗帕夫洛夫斯基M环形坑(Crater Petropavlovskiy M)附近。来源： 国家航天局/新华网[4]

而嫦娥4号的主角，着陆器和月球车，将于半年之后的12月发射升空，计划着陆在月球背面南极艾肯盆地一带的冯·卡门陨石坑中。

这将是人类首次试图着陆月球背面并进行科学探测。

鹊桥（白色）和嫦娥4号（绿色）的发射和飞行路径。来源：CASC

关于作者：灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究。

参  考

[1] 吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, & 张玮等. (2017). "嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计. 深空探测学报, 4(2), 111-117.

[2] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19710021579.pdf

[3] http://www.sastind.gov.cn/n112/n117/c6801910/content.html?from=singlemessage&isappinstalled=0

[4] http://news.syd.com.cn/system/2018/06/14/011648213.shtml