北京時間2018年6月14日11:06，在長達24天的旅程之後，嫦娥4號的通訊中繼衛星鵲橋成功進入預定的使命軌道。
24天，對於探測器從地球到月球來說，可以說是非常長了，事實上，月球軌道器（也就是最終要環繞月球飛行的探測器）通常4-5天也就能到達月球並且進入月球軌道。
那麼鵲橋為什麼路上花了這麼久時間？這還得從鵲橋的特殊軌道說起。
之前咱們介紹過，因為地球無法直接和月球背面通訊，而嫦娥4號又計劃去著陸月球背面，於是通訊中繼衛星鵲橋應運而生。為了更好地為地球和月球背面的著陸器/月球車提供通訊，鵲橋選擇了一個非常特別的軌道——環地月拉格朗日L2點軌道，也叫L2 halo軌道或者暈軌道。關於鵲橋的詳細介紹看這裡：嫦娥4號中繼星“鵲橋”發射成功：一橋飛架南北，天塹變通途。
鵲橋的設計位置。來源：參考文獻[1]
鵲橋號：漫漫長路，經歷了些什麼？
把一隻大象放進冰箱裡需要幾步？
三步：把冰箱門打開，把大象放進去，把冰箱門關上。
把鵲橋衛星送到地月L2 halo軌道需要幾步？
也是三步：從地球飛到月球軌道，從月球軌道飛到L2點附近，從L2點附近飛進L2 halo使命軌道。
Step 1：從地球飛到月球軌道
2018年5月21日，鵲橋在西昌衛星發射基地，由長征4號丙（CZ-4C）運載火箭發射升空，之後直接被送入地月轉移軌道。也就是說，鵲橋並沒有經過地球停泊軌道或者像嫦娥1號那樣經過調相軌道後再送入地月轉移軌道，這很大程度上有賴於我國運載火箭能力和軌道控制技術的提升。
嫦娥1號經過三次調相軌道來慢慢增加軌道週期（也就是近地點速度），以達到更穩定地進入地月轉移軌道的目的。作為我國的第一個探月任務，這在當時是一種謹慎而穩妥的飛行方案。而之後的嫦娥2號、3號和這次的鵲橋號，都是直接發射之後就送入地月轉移軌道的。來源：新華社
從地球到達地月L2點附近，目前我們通常考慮兩種飛行方案：
一種是直接轉移（direct transfer），就是從地球（或者地球停泊軌道）直接經過地月轉移軌道飛到L2點附近。
Farquhar (1971)設計的一條直接轉移軌道。來源：參考文獻[2]
另一種是月球繞掠（lunar swing-by），也就是飛經月球是藉助月球引力“拐個彎”再飛到L2點附近。這種方式比直接轉移要節省燃料，當然，作為代價，時間上就會略長几天。
Farquhar (1971)設計的一條月球繞掠軌道。來源：參考文獻[2]
對無人探測任務來說，路上多走一兩天時間根本不是事兒，而節省燃料就重要多了，因此鵲橋採用了第二種方案，也就是月球繞掠（lunar swing-by）飛行 。在這種方案下，鵲橋的地月轉移軌道是一個近地點200 km，遠地點月400000 km的大橢圓軌道，這種方案通常需要4-5天到達月球軌道，並需要在途中進行2-3次軌道修正。
其實還有更加節省能量的方案，不過時間就一下子長多了，要三個月到半年才能到月球，這對目前的月球探測任務來說有點沒有必要，不過，將來如果需要運載大量物資去月球，倒是可以採用這種方式。
5月22日，鵲橋進行了第一次軌道中途修正。
5月25日21:32，鵲橋在以距月球表面100 km的距離最近飛掠月球時點火剎車，隨後關閉發動機。21:48，鵲橋確認完成近月制動併成功進入月球-L2轉移軌道。也就是說，由於火箭發射和軌道控制的精確，原本計劃的三次軌道中途修正，最後只用一次就修到位了。
鵲橋的設計飛行軌跡。原本計劃從地球到近月制動期間要進行三次軌道中途修正，但後來只修了一次（紫色段為地月轉移軌道）。此外，紅色段為月球-L2轉移軌道，橙色和藍色段為L2捕獲軌道，綠色段為最終的L2 halo使命軌道。來源：CASC
Step 2：從月球軌道到地月L2點附近
5月29日，鵲橋結束了為期4天的月球-L2轉移軌道，成功進入L2捕獲軌道。至此，鵲橋實際上已經到達了地月L2點附近，接下來需要做的就是不斷調整軌道來進入最終的L2 halo使命軌道。
Step 3：從地月L2點附近到進入L2 halo使命軌道
6月14日11:06，鵲橋在完成最後一次點火制動後成功進入距離月球約65000 km的L2 halo使命軌道。
鵲橋成為世界首顆運行於L2 halo軌道的月球探測衛星。
接下來，鵲橋將在halo軌道陸續開展在軌測試和中繼通信鏈路測試。
鵲橋在使命軌道上和地球、月球背面通訊的模擬圖。來源：CASC
龍江2號：成功從月球背面傳回影像
而平行世界中的微衛星龍江1號和2號就並不總是那麼順利了。
5月21日，與鵲橋一同成功發射的龍江1號和2號在星箭分離之後就迅速和鵲橋分開了。然而，此後只有龍江2號（DSLWP-B）的信號被一些無線電和衛星跟蹤愛好者們跟蹤到，而龍江1號似乎失聯了 。
龍江2號（DSLWP-B）的無線電信號被業餘愛好者跟蹤到。來源：Twitter @uhf_satcom
後經國防科技工業局的官方網站公佈[3]，經過113個小時的飛行，5月25日22時，只有龍江2號在預定的軌道修正和近月制動後成功進入近月點350千米、遠月點13700千米的環月軌道，而龍江1號由於在地月轉移軌道飛行過程中出現控制異常，遺憾未進入月球軌道 。
也就是說，原本計劃的雙星編隊飛行和變基線射電干涉測量將無法完成，只能進行單衛星低頻射電探測了。但幸運的是，由沙特阿拉伯研製的微型光學相機是搭載在龍江2號上的。
5月26日，低頻射電探測儀首次開機，開始探測1-30MHz的射電天文信息，全面開展全天空輻射譜等試驗與科學研究。
5月28日，沙特的光學相機首次開機，成功從月球背面的軌道上獲取了地球和月球表面和的可見光影像。
首批傳回的龍江2號從月球背面拍攝的地球照片。（左）拍攝於衛星軌道高度約1598.3 km，星下點月面位置為西經162°13’、北緯21°27’。拍攝到的月面影像位於月球背面北半球韋格納環形山(Crater Wegener)附近；（右）拍攝於衛星軌道高度約728.1 km，星下點月面位置為西經149°1’，北緯22°28’。拍攝到的月面影像位於月球背面北半球彼得羅帕夫洛夫斯基M環形坑(Crater Petropavlovskiy M)附近。來源： 國家航天局/新華網[4]
嫦娥4號：整裝待發
而嫦娥4號的主角，著陸器和月球車，將於半年之後的12月發射升空，計劃著陸在月球背面南極艾肯盆地一帶的馮·卡門隕石坑中。
這將是人類首次試圖著陸月球背面並進行科學探測。
鵲橋（白色）和嫦娥4號（綠色）的發射和飛行路徑。來源：CASC
拓展閱讀：
致謝
本文感謝@Robotlee和學會會場被我追著問問題的幾位工程師老師，感謝知友@天才琪露諾、@鸑鷟鵷鶵、@ZX Huo對本文內容提升所提供的幫助，本文還要感謝本屆世界盃，讓我可以在凌晨2點也能輕易找到幫我審稿的小夥伴…
參 考
[1] 吳偉仁, 王瓊, 唐玉華, 於國斌, 劉繼忠, & 張瑋等. (2017). "嫦娥4號"月球背面軟著陸任務設計. 深空探測學報, 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
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