中国自主研发的“鹊桥”中继卫星有多强,美国都请求我们借它用

关于玛雅文明,传的神乎其神的就是,玛雅人曾画月球背面图,而这也三人成虎,让人认为玛雅文明是外星文明。(其实这是假的)

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为什么会这样的呢?因为在地球上,人是永远不可能观测到月球背部的。而这都是因为潮汐锁定的原因。

潮汐锁定是指大天体的引力会迫使离他近绕它公转的小天体永远用一面对着它。

所以我们从大天体的角度也就是地球看起来它是不转的,但是从宇宙空间的角度来看,这个小天体仍然是自转的,只不过自转的周期和它绕大天体公转的周期是一样的(都是27天7小时43分11.47秒)。

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而地球就是这样的大天体,每天牵扯着月球,慢慢让月球的自转和公转同步,从而人类只能看到月球的一面。

人类第一次获取到月球背面的画面还是1959年,苏联的月球3号探测器传回了第一张月球背面的影像。1968年,美国阿波罗8号的3位宇航员在环月飞行时,成为最先亲眼看见月球背面的人类。

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他们还拍摄到航天史上最著名的照片:从月球轨道上看地球“升起”。这是人类首度亲眼看到月球背面。由于月球背面布满了大量巨大的陨石坑,

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从那时候起,美国就一直想要登陆月背,因为对于美国来说,月背具有非常重要的科研价值:

a. 月球背面几乎全是环形山/陨石坑(97.5%),比正面多得多(69%),形成原因和目前的情况只有理论解释,缺乏实地验证;

b. 月球背面南极-艾特肯盆地,是太阳系第二大超级陨石坑,早在1998年,NASA的月球勘探者号就发现这里存在水冰,而且更接近月球最原始的情况;

c. 嫦娥四号实际着陆地点位于该区域中部的冯·卡门环形山,它以钱学森的恩师的名字命名。这里经过了强烈碰撞,极可能曾经被熔岩淹没,各类物质含量丰富,或许留有月幔最原始的成分,保留了月球最深层的秘密;

d. “月球上氦三能量开发可供人类能源需求XX万/亿年”的说法,相信大家已经看过很多了,而理论上月球背面环境更容易产生氦三;

e. 月球背面有天然的“屏蔽”,没有任何来自地球的辐射干扰,这意味着它有着无比完美的安静环境做天文观测;

f. 月球背面的月壤也极有可能与正面大不相同。

但是美国多次尝试均以失败告终。我们来了解一下美国提出了N多次的“重返月球”计划。

2004年,美国提出了“重返月球”项目,未来10年内,美国将运送宇航员登上月球背面,并且建立月球永久基地。

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这次登月计划的规模要比“阿波罗”计划大得多,整个计划将耗资约560亿美元,2008年将发射第一枚探测器详细拍摄月球表面的照片。从2010年开始,美国将发射一批无人登月舱,在月球背面一些选定的地点登陆,确定那些地点是否有条件实施载人登月。宇航员登陆月球背面可能,最早在2015年实现。

第一批将会有4名宇航员将登上月球背面,收集月球上的岩石标本,进行科学实验,特别是要考察月球背面是否存在水,因为水对于未来在月球上建立永久基地至关重要。

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直到目前,美国不要说登陆月球,建立永久基地,甚至都没有成功发射探测器到达月背。

到了2013年,美国NASA表示重启“重返月球”计划,NASA会在2014年将进行“猎户座”(Orion)”飞船的首次试验性发射,而最终飞船将被安置于距离月球背面60000公里的地球-月球第二拉格朗日点L2,以确保飞船未来与地球的正常通信。

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如果一切顺利的话,飞船预计会在2017年进入预定飞行轨道,并作为后续探测任务的中继站届时NASA将视情况决定是直接派两名宇航员登陆月球背面,还是先让月球车前去“探路”。

截至目前,除了2014年12月5日,“猎户座”在绕地球飞行两圈后,以“完美”姿态降落在太平洋之后,就没有了消息。

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2019年,美国再次表示计划在未来五年内将宇航员重新送到月球背面,最快在2024年实现登月计划。希望他们这次可以成功。

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之所以会出现这样的情况,是因为登陆月背的难度非常大!

首先是地形问题,月球背面几乎全是环形山/陨石坑(97.5%),比正面多得多(69%),地形和高程图异常复杂,对各种配合着陆传感器的系统要求很高,要想成功降落难度非常大。

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人们曾形象比喻,在月球正面的着陆情形就像小船轻轻划过湖面,在月球背面的着陆就好比在风暴洋中冲浪。

其次是信号问题,由于在地球上永远看不到月球的背面,这就相当于要隔着月球球体进行通信联系。但通信信号无法穿透月球抵达其背面。

所以月球背面就相当于是一个通讯禁区,而航天器要在月球背面飞行和着陆,其中必须要有地面测控的支持。若是月球车或者登月舱要成功着陆在月球背面,更是需要实时测量飞行轨道,发送测控信号以调整降落速度和着陆姿态,才能实现安全着陆

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但由于月球本身的阻挡,航天器不能直接与地面进行无线电通信。地面控制人员无法了解到飞船的运行状况,也无法把测控信号传输给飞船进行各种操作。

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科学家曾经提出过设想,通过中继卫星的帮助来实现数据传输,完成地面测控任务从上个世纪六十年代开始,美国航空航天局NASA就一直在提设想、论证,曾为此发射过三次中继卫星,但最终都以失败告终。

再次就是时机问题,月球被潮汐锁定,自转与公转相同,导致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。换做地球时间就是近14天交替的白天黑夜,因为航天器的能量源是太阳能,必须要等到白天才能进入。

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但中国成功在2018年12月8日,在西昌卫星发射中心发射长征三号乙运载火箭,成功让嫦娥四号登陆月背,这是5000年来人类首次登陆月背。而且降落地点南极-艾特肯盆地,它的地形和高程图异常复杂,尤其是高度方面的变化速度超过了以往任何一次着陆,最大落差高达16.1千米。降落难度非常之大。

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中国之所以能够成功降落月背,是因为中国攻克了信号难题,中国成功部署了“鹊桥号”中继卫星,在月球背后6.5万公里之外的地月拉格朗日二点附近Halo轨道簇上运行,为着陆器做准备和全程信号支持。

这其中可以说涉及到世界性的难题,我们通过国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师钱航文字描述来看在地月拉格朗日二点附近Halo轨道簇上运行难度究竟有多高,首先这涉及到来人类史上号称无解的三体难题,根据拉格朗日对限制性椭圆轨道三体运动求出了五个特解寻找到对应的宇宙运行模型,然后锁定到拉格朗日二点附近。最后再通过晕轨道形式,在与地-月连线垂直并通过平动点的平面附近。航天器距平动点的距离超过3500公里,围绕平动点的运动周期约为半个月。这样就使月球背面与地面实时通信的困难得到解决。

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而这仅仅是第一步,接下来还有复杂的变轨技术。说白了,月球、地球、太阳三点一线,缺一不可,这就要求同步卫星不仅要做到随时变轨,而且还要求变轨的位置非常精确,差一点都无法维持通讯连接...

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最终,中国攻克来多个世界性的难题,成功发射了人类历史上首个月球信号中继卫星,架起了地球和月球背后的“鹊桥”,全世界仅有中国掌握这项技术!

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最后,登陆上,“嫦娥四号”整个飞行过程包括发射入轨段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、环月降轨段、动力下降段,最终着陆到月面。期间,着陆器和巡视器组合体通过“鹊桥”月球中继星与地面建立上下行通信链路。着陆成功后,着陆器将择机完成巡视器释放。着陆器、巡视器分别开展科学探测,并通过“鹊桥”将数据传回地球。整个难度非常大:

“嫦娥四号”成功实施了近月制动,顺利完成“太空刹车”,被月球捕获,进入了环月轨道。

所谓近月制动就是给高速飞行在地月转移轨道的航天器减速,使其被月球的引力捕获,进入环月轨道。“嫦娥四号”经过约110小时飞行后,以10千米/秒左右的速度和月球相遇。此时它与月球的相对速度约为2.4千米/秒。

到达制动点时,它需要通过减速发动机反推将速度降下来,制动量约为800米/秒,即将原本2.4千米/秒的相对速度降低到1.6千米/秒左右。“嫦娥四号”的“刹车”力度需要极其精准。如果“刹车重了”,例如每秒的速度多减30米,可能会导致它撞上月球;如果“刹车轻了”,探测器速度过大的话,月球引力也会拉不住它。

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在成功登陆月背之后,着陆器通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。,而月球车也将对艾特肯盆地进行研究,艾特肯盆地是整个太阳系中最大最深的盆地,直径约2500公里,深十多公里。科学家相信在这里获取月球深部物质的信息。

“月球背面的岩石更加古老。如果我们能获取更古老的岩石类型等物质成分信息,对我们了解月球的化学成分演化过程会有很大的帮助。

除此之外,月球车行走时,可以获取集地形地貌、物质成分、浅层结构于一体的综合地质剖面,这个剖面一旦建立起来,在国际上是首创,而且对揭示着陆区域地质演化历史、演化细节有重大贡献。嫦娥四号上中国、瑞典、德国合作的载荷还将对月面中子与辐射剂量、中性原子等月表环境进行探测,研究宇宙辐射、太阳风与月面物质相互作用的情况。

最重要的是,将会在国际首次实现在月球背面的甚低频射电天文观测。我们要知道,在太空中,无法阻挡地球无线电的干扰,而月球的背面则是观测的绝佳场所。月球背面是公认的低频射电天文的绝佳场所。嫦娥四号或许能为我们打开一扇观测宇宙的新窗口。

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在我们成功登陆月背之后,之前一直阻挠中国航天发展的美国,也特意来请求中国帮忙,希望能合作共享“月背”技术。

美国还想借此观测到月背扬尘数据,此前,美国宇航局(NASA)的科学家通过研究小流星体对月球的冲击,揭开了月球表面尘土飞扬的成因。但是月背陨石撞击能够扬起月尘的状态一直没有办法获取,而这样的图像数据可以说在目前来说,只有在月背登陆的嫦娥四号可以获取到。

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美国一共提出了三个要求:第一,美国希望中国延长“鹊桥”中继卫星的使用寿命,借此等NASA发射登陆月背的探测器时,还能继续使用中国鹊桥;第二,在中国嫦娥四号上安装一个美方的信标,有助于NASA探测器登陆月背时,能准确找到着陆位置;第三,希望中方为NASA提供月背扬尘的画面。

目前,中国答应了美国第三个要求,提供了月背扬尘的数据但是前两个要求还没有答应。前段时间,美国阻挠中国参加航空大会,前两个请求就已经不可能再同意了。

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前两天,在第十一月昼期间,“玉兔二号”月球车对多个探测点开展巡视探测,截至目前,巡视器在着陆器西北方向218.11米,累计行走里程成功突破300米,达到318.621米,再次刷新我国探测器的行走纪录。

嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”巡视器将进入第十一个月夜休眠期,两器将再一次经受14天月夜和零下190多度的极低温考验。

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在此次月夜期间,科学家除了要对第十一月昼获取的科学探测数据进行处理分析之外,还将根据已获取的巡视器周围的地形地貌环境数据,制定下个月昼的科学探测目标及规划后续巡视路线,多方位、多角度、多领域获取月球背面科学数据。

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