第638期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《太空中的“信使”》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——太空中的“信使”
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：孙 骥，中国航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司主任设计师。
周文艳，中国航天科技集团五院总体设计部总体轨道主任设计师。
讲座时间：2025年2月10日～2月16日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——太空中的“信使”
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。2019年的1月，中国的探月工程嫦娥四号顺利地登陆月球的背面，并且实现了人类的首次突破，近距离地拍摄到了月球背面的照片，而实现这样突破的背后是通过什么把信息传回到地球的呢？我们通过短片进入今天的节目。2018年5月21日清晨，一颗名叫“鹊桥”的中继卫星飞向太空，它将去往月球背面一个距离地球45万公里的地方。“鹊桥”之所以要去这里，是因为中国探月工程二期的嫦娥四号探测器，即将开始对月球背面的科考，这是人类历史上第一次去月背，一切都充满了未知的挑战。不过为什么“鹊桥”中继星要陪伴嫦娥四号去月球背面呢？对月背的科考来说，“鹊桥”有什么作用呢？我们首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国航天科技集团五院的主任设计师孙骥，另外一位是中国航天科技集团五院总体部的总体轨道主任设计师周文艳。那说到这儿，“鹊桥”跟“嫦娥”之间它是一个什么关系？
您这个问题其实就是我们进行嫦娥四号任务，最开始大家都面对的一个问题，月球背面和地球永远是无法可见的，那着陆于月球背面的探测器怎么才能把这个信息传回地球？所以我们就想到了一个办法，什么办法呢？就类似咱们古代的烽火台，可能有两个地方非常远，他们没法儿直接对话，但是通过烽火台点燃狼烟，我们知道它代表什么意思，它进行一个信息中继中转的一个作用。对于嫦娥四号任务，我们也是提出这个想法，我们要发射一颗卫星，这颗卫星就是起到一个中继转发的功能，它既能够确保能够看到月球背面，还能够确保同时能够看到地球，这样的话就能第一时间把月球背面的信息通过卫星传达到地球。我们通过短片去看一下。这种为航天器提供数据中继和测控服务的卫星叫做中继星，它能解决数据无法直接传输、传输信号弱或是传输量过大的问题。因为嫦娥四号是人类首次着陆在月球背面，所有的情况都是人类历史上第一次经历。嫦娥四号到达月球后的所见所闻，全都是科学家最渴望知道的信息，这些信息该如何安全全面地传回来，必须依靠一颗中继卫星来完成，“鹊桥”就是嫦娥四号的中继卫星。在“鹊桥”研发之前，中国已经有了相对成熟的中继星制造技术，中继卫星早已默默地服务着我们。
中继星对于中国来讲，还有哪些地方用到？其实中继星的概念，它并不是第一次出现的，中继星在地球轨道，我们中国也有非常非常让人值得自豪的一组星，它叫天链。它引申的意思就是我们在天空上我们也搭建成了一条信息的链条，天链这个卫星，可以最直接地来讲，第一次载人航天的时候，当时我们国家没有天链，太空员要把太空的情况向我们国内进行汇报，他只有一个机会，就是当这个空间站从中国上空飞过的时候，和我们地面的测控站形成信息连接，这个时间最长只有十分钟，最短只有四五分钟。哦，那么宝贵的时间。对，当我们天链这些“星座”建立起来以后，像我们现在航天员，我们可以在太空给小朋友们上课，可以看《新闻联播》，可以实现整个没有任何间断的一个通讯（信）时长的联络，就是靠这个天链来实现的。它最基本的原理就是在整个地球空间，它布置三颗卫星在同步轨道上，每颗卫星覆盖120°的一个地球表面。在任何一个国家，如果有信息上的传递，我们可以先传递到这颗天上的天链的这颗卫星，再从天链这颗卫星彼此传递，最后从位于中国境内就是天空上的天链卫星再传到地面，实现了整个就是全球范围内24小时不间断的一个中继通信，这个是我们国家也是世界上第一个真正意义的中继星。我们来通过短片去看一下。
2008年中国发射了第一颗天链中继卫星，到目前有三颗天链中继卫星在太空中工作。从此前的经验看来，给嫦娥四号制造一颗中继卫星应该不是难事，但是这次的情况却似乎没那么简单。回顾中国过去的探月工程，嫦娥一号到嫦娥三号的目的地，要么是环绕月球飞行，要么是着陆月球正面，它们从未需要中继星传递信息，但嫦娥四号将要降落在月球背面，也唯独它需要中继星。那么，为什么在月球背面就需要中继星？从月背传递信息到底有哪些难度呢？为什么在正面的时候就可以顺利地传回信息，而背面就那么难呢？和这个地球和月球的运行规律是相关的，我们都知道月球是地球的一颗可以说叫卫星，因为它围绕着地球进行公转，这个公转周期是27.32天，同时月球它本身它也在自转，特别凑巧的是它这个自转周期和公转周期它是一样的，那这意味着一个什么情况？我们在地球上，不管是在东半球还是西半球，我们看月球永远只能看到正面，这两个速率是匹配的，所以说我们在月球上不管是着陆也好，还是我们人类登月也好，我们可以通过地球上面的这个测控站去和月球进行一个直接的通信，但是在月球背面的时候，我们什么都看不到了，所以说要想开展这样的科学任务，它相当于是没有一个最起码通信的前提的。如果说我们带有非常强的科技手段，能够把这个信息透过月球传递到地球，这是可以解决的。但目前人类都没有掌握这个先进的手段，因为如果没有（鹊桥）中继星的支持，可能（嫦娥四号）着陆器都无法着陆到月球背面，然后更别说一些科学数据的传回地面，这些都是无法实现的。我们通过短片去看一下。
由于地球对月球的引力，导致月球的自转和地球公转速度相同，让月球始终以一面朝向地球，这种情况被称为天体间的潮汐锁定。因此，当嫦娥四号降落在月背时，直径3400多公里的月球本身就成为了一个巨大的遮挡物，电磁波无法穿过月球到达地球，这将导致地球与嫦娥四号失去联系。而嫦娥四号所获得的科学信息，地球也无从知晓，因此科学家们决定用一颗中继卫星，由它来承担嫦娥四号与地球之间的信息联络。在这种背景下，“鹊桥”中继星应运而生。但是如同嫦娥四号是第一次去月球背面，向月背发射中继星同样是一个从零开始的任务，那么“鹊桥”都要解决哪些问题呢？（鹊桥）中继星在月球背面这样一个特殊的环境下，是怎么能够做到顺利地把这个信息传回来的？这个任务它其实有几个非常重要的前提，第一就是我们要过得去，所谓过得去从起点到终点，我们定好两个信息以后，我们会规划一条路线。那么起点很清楚我们是在地球，终点在哪里？我们需要在茫茫宇宙里面找到一个点，在这个点既能看到月球背面还能看到地球。其中有一个点叫拉格朗日L2点，这个点就能够实现，既能看到月球背面还能看到地球，所以说我们把这个点选择为了终点。
第二呢，留给我们的时间非常非常地短暂。为什么？因为正常我们研制一颗星可以说要五年甚至十年，但是“鹊桥”我们有一个非常大的一个需求，因为它服务于嫦娥四号任务。嫦娥四号的发射时间当时已经决定了，已经定好了，这个时间不能再推迟了，为了保障嫦娥四号任务的胜利完成，我们必须在它之前发射，换句话说，我们必须要在发射嫦娥四号之前确保已经到达了L2点。而且我们整个卫星运行是正常的，两年时间对于我们来说是一个从零开始，因为刚才也提到很多，这都是世界首次，我们不知道那边的太空环境是个什么情况，我们只能靠大量的这个设计分析，包括各种实验来满足自己的卫星能够匹配这个任务的需求。好，那说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。虽然嫦娥四号要降落在月背，但是“鹊桥”要去的地方却是距离月背6万多公里的太空中，一个不被月球遮挡，同时也不受地月引力影响的地方，这里被称为“地月拉格朗日L2点”。按照设想“鹊桥”中继星将围绕L2点飞出一个大圈，未来嫦娥四号先将信号发射给“鹊桥”，然后“鹊桥”再将信号传输回地球，以此解决传输信号被遮挡的问题，解决的方法已经找到，接下来就是具体的落实了，此时“鹊桥”还面临着“减肥”的难题。
搭载“鹊桥”的长征四号丙运载火箭承载重量不能超过450公斤，因此“鹊桥”的“体重”必须在450公斤以下，最终在采用了3D打印镁铝合金等材料改进零部件后，“鹊桥”终于成功“瘦身”到448公斤。2018年5月21日清晨，“鹊桥”中继星乘坐长征四号丙运载火箭顺利起飞，从地球到达地月L2点的路程有45万公里，这并不是一条坦途，而是从未有人走过的路。“鹊桥”此行将会面临哪些难关呢？“鹊桥”在去的路上遇到过哪些问题？最大的问题就是要在规定的时间，我们要把整个的速度按照规定的要求是增大还是减小，这对我们来说是一个非常难的一点。因为在这个整个过程当中，为了保证我们的控制精度分秒不差，怎么样才能就是把这个推进剂用得最少，这个是第一个难点。第二个难点，当“鹊桥”到达地月L2点，就（是）使命轨道以后，我们怎么能够验证我们的设备都是正常的，这个问题抛出来以后，有很多的专家提出了很多的建议，最后我们把这个选择了一个最直接的方法，也就是在月球背面L2点轨道上的中继星，直接和当时在地球上还没有发射的嫦娥四号进行一个天地回路验证的过程。当时我们就把地面上还没有发射嫦娥四号任务的一些设备，我们从厂房里面拿了出来，经过这个48万公里的这一个空间距离，最后成功联通，包括图像的数据，包括一些科学的数据进行一个上传和下载，发现都没有问题，那么这个链路就验证成功了，这个是我们的第二个难点。
第三个难点，在靠近月球的时候，我们需要刹车。为什么需要刹车呢？就是我们需要靠月球的引力把我们抓住，然后再靠月球的引力把我们送到L2点。这脚刹车，如果我们踩得狠了，你就会被月球引力捕获，最严重的情况可能你就撞月了。但如果你这脚没有刹到位，它可能又绕月球一圈，又回到地球来了，甚至是去到深空了。所以，这脚刹车说得简单，太难了。太难了，因为在这么长的一个几十万公里的一个尺度上，我们要把这件事情在几秒，几十秒之内，要甚至几百秒之内把它完成，可以说要分秒不差。这个的里面带来的一个大量的轨道计算和复核工作，这个是非常非常去难以用语言去描述的。在这个过程当中，我们有没有碰到过之前从未面临的这样一个状态和环境？其实在我们出发之前，通过周老师他们的计算就已经告诉我们一个结果，什么结果呢？中继星在轨的时候，会经历很多次非常非常长时间的阴影，所谓的这个阴影就是太阳无法照射到你，在深冷空间的时候，温度最低应该是到－273OC，在这种极限的温度之下，几乎所有的设备都是很难去完成任务。所以我们必须要给这些设备人为地营造出一个比较好的一个工作条件，我觉得这个对我们来说是一个最大的挑战。所以周女士我想问在轨迹设计的过程当中，要不要考虑到这个气候、光照等等这些因素？
这个是要考虑的。因为这个，其实是和发射窗口的一个选择是有关系的。我们就是要通过地面的一些建模、仿真，把它的整个飞行过程模拟出来，就是不同的时间走的这条路是什么样的，沿途的一些光照，可以计算出来。要提前预知的？对，提前预知的。然后在找到这个规律的基础上，然后再去选择这个发射时刻。我们经常听到这样的一句话，叫差之毫厘，谬之（以）千里。对于我们轨道设计师来讲，你能给我们打个比方，要精确到什么程度吗？这个宇宙空间很大，轨道它其实是有一定的范围的。但是如果超过这个范围，就需要卫星携带自身的燃料，然后进行变轨，然后把这个轨道再纠正过来。主持人您问到了精度的问题，它这个精度，从我们最后在轨的情况来看，可能从时间层面上差了不到一秒钟，可能就是几百毫秒，这个是个什么概念？相当于我们在一万公里的距离下，我们要打一个靶子，这个靶子你还不能偏差就一厘米，基本上就是这个精度要求，最后周老师帮我们实现了。换句话说，如果这个精度差了能不能去也能去，但是代价是什么，我们要费更多的推进剂，这个就对我们整个的任务就造成了影响。我这样理解，假如一个人从北京到广州去旅行，你只有2000块钱的路费，如果你买一个直达的话可能刚好够，但是如果你要绕路的话，我去郑州看看，山东再看看，最后到达广州的时候，你的成本远远不够了，是这个道理。是这个道理。我们来通过短片去看一下。
在太空中，推进剂就是卫星的能量，轨道就是卫星的道路。如果卫星没有按照预定的轨道前进，浪费了能量，那面临的就是没有补给也无法回头的绝境。因此，飞控轨道专家必须严格设计好“鹊桥”中继星自主飞行的路线，还需要帮助“鹊桥”修正飞行的路线，让它始终保持在正确的轨道上。经过近25天的飞行，“鹊桥”顺利飞越45万公里，到达预定轨道，成为世界上首颗运行在地月L2点轨道的中继卫星。但此时“鹊桥”的任务才刚刚开始，接下来它要迎接嫦娥四号的到来，为此“鹊桥”都需要做哪些准备呢？“鹊桥”到达了月球背面的时候具体都做了哪些工作？我们对于嫦娥四号任务是一个先行者，换句话说我们就是侦察兵，我们首先要确保我们能到这个地方，能看到月球背面，否则的话大部队它没有一个开拔的必要性。因为我们中继星有一个4.2米的一个伞状天线，我们这个天线到底好不好用，如果你不好用，整个嫦娥四号任务就没法去月球背面，这个任务就没有意义了，所以当时我们的压力非常大。我们是5月21号发射，6月14号到达了L2点，我们从6月14号一直到9月份，整整三个月的时间，我们每天都在用我们这个4.2米口径的这个天线，就像一把伞一样，持续地和地球进行通信，就是为了验证我们这个通信链路，至少在我们这一端所有的设备都是正常的。这个事其实对我们来说就是，从发射到到达L2点，我们就干了这一件,回答的一个问题。
我们还特别想知道，我们没去过月球的人永远都无法想象它的真实的环境状况是什么样的，所以这个难度，空间环境的难度是什么？月球大概就每13天它一直都是光照，再过13天就一直都是阴影，其实这个也是对嫦娥四号任务提出很大的挑战，什么挑战？就是你要在月表极其严酷的这个环境之下，你要把这14天怎么样才能过去，那对于中继星来讲，我们有一个很有意思的词叫休眠和唤醒。所谓唤醒就是太阳慢慢逐渐从月球的地平线升起之前，我们要把它们叫醒，让它们接受太阳光能量的补充，实现它的很多载荷的工作有序地进行。所谓的休眠，就是我们要在阴影来临之前把月球背面的着陆器和巡视器让它们睡觉，同时要保证最基本的一些设备的运转。会比它们醒着的时候更轻松吗？我觉得还是看到一个会哭会叫、会说话的宝宝，要比这个沉睡的宝宝要更开心一点。因为在它唤醒的时候，我们时刻能获取到最新的科技数据，尤其是巡视器，它还是在月球背面去行走，它的每一秒可能对人类来说都是新的一步，这个是对我们来说是最好的。我们目前收到那些信息有哪些是特别有价值的？当嫦娥四号探测器着陆以后的第一时间，我们拿到了这个图像，这个图像是人类历史上的第一张近距离在月球表面拍摄的，月球背面的图像。首先我们看到了很多以前想象中的一些地形地貌，用我们先进的载荷设备，把真正月球背面月壤的成分进行了分析，在月夜期间，我们月球整个的一个自然环境，包括温度等等这些第一手的数据，从科学上来讲都是科学家们非常关注的东西。对于老百姓来讲，可能回答了我们一个千古以来大家都想知道的问题，月球背面到底有什么？
现在我觉得可能通过嫦娥四号，包括我们嫦娥五号把这个问题已经回答得很清楚了，可能月球背面没有大家想象的那些童话。但是月球背面它有很多的奥秘，这些奥秘就随着我们每一天获取的每一个数据，我们慢慢都会把它这个神秘的面纱揭开的。好，那说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。嫦娥四号探测器的每一项科学发现，都是世界首次，也都是通过“鹊桥”传回来的。根据“鹊桥”传回的科学数据，科学家团队揭示了月球背面，特别是南极艾特肯盆地复杂的撞击历史，为月壤的形成与演化模型提供关键证据，首次揭开了月球背面地下结构的神秘面纱，极大地提高了人类对月球撞击和火山活动历史的理解。科学家们还首次获得月表高能粒子辐射环境，这将有助于设计和屏蔽未来的月球栖息地，让去往月球的航天员尽可能少受到辐射伤害，各种原创性成果为研究月球的形成，以及中国后续月球探测规划的制定奠定了坚实基础。那么未来“鹊桥”还要在太空中工作多久？它还会为科学家们带来哪些信息呢？“鹊桥”它的服役期是多久？“鹊桥”我们的设计寿命是三年，我们是2018年5月份发射的，按照当时预期的寿命，我们在2021年的5月份其实就已经超过了。那目前的状态怎么样？现在我们是在超期服役，整个卫星的状态都是非常正常的，而且这个月面上两个探测器，我们管这个叫着陆器和巡视器。巡视器我们起了个外号叫“小兔子”，它们的现在状态也是非常好的，这三个器目前我觉得按照现在的趋势发展，可能将一直会保持着健康运行下去。
很多人心里会发问，比如说美国、俄罗斯，他们在探月工程（方面）比我们开展得要早，也具有很多领先的经验，他们为什么一直没有关注到月球的背面？说到这个中国探月，其实我是可以说是一个参与者，然后也是见证了咱们整个探月工程从最开始的萌芽到现在的壮大。在我看来就是我们中国的航天从上世纪六七十年代开始，基本上都处于一个追赶者，我们从来没有当一个领跑者。嫦娥四号任务可以说是整个中国航天，是由一个航天大国向航天强国转变的一个彰显意义的一点，因为我们干的都是世界首次，月球的背面是更受很多的科学界的，尤其科学家的关注，为什么呢？因为在这个宇宙里面有很多的行星和小卫星，它们都会受到天体的引力，都会向天体进行一个自然碰撞的行为，经过它的撞击以后，恰恰就能把月球本质，它本体内部的一些最深层次的东西它能溅射出来。所以可以说从上世纪开始，科学家都把目光聚集到了月球背面，但是恰恰是因为我们没有手段过去，造成了在月球背面的研究上，科学的一个非常大的一个空白。航天其他的一些强国，他们还没有涉及到这个月球领域中继星的这个研制，他们的所有的轨道设计都是停留在纸面上的。我们很多的实际飞行的数据，其实很多国外的轨道的同行，他们都非常非常地感兴趣，因为这个对他们自己的理论计算有一个非常好的修正作用，在这一点上我觉得是他们无比羡慕我们的。好，那说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。
对于未知世界的好奇，这是人类的天性。如今通过“鹊桥”中继星和嫦娥四号，我们就能了解在月球背面有更为崎岖的环形山和更古老的陨石坑，这样的环境更接近月球最原始的情况，这里还有更纯净的空间电磁环境，没有来自地球的辐射干扰，在这里更适合展开天文观测。不过人们总是会对事物发出终极的疑问，这些环境对人类来说意味着什么呢？我们不断地在航天领域投入那么多的人力物力和资源，最终我们对月球的了解会给我们未来带来什么样的影响呢？其实这个问题争议非常非常地大，我们花了这么多的代价去研究月球，去探索月球，到底有没有意义，对我们的国计民生有一个什么样的好处？其实我想从两个方面来回答这个问题，第一就是因为我们人类，我们的认知它是有限的。可能在一百年前，天是圆的吗？地球是圆的吗？海洋是平的吗？可能很多问题因为我们的认知所导致，我们对这个事情没有很清晰的一个看法，那么探索月球在今天看来，可能有的人认为意义不大。但是我想说的是从一个发展的眼光，就像我们现在看待爱因斯坦的相对论一样，也许在不久的将来，我们现在干的每一件事情，它都有无比重大的意义，这是第一点。
第二点就是我们今天从月球上，包括嫦娥五号取回来的一些土壤，包括月球上的一些岩石，我们已经分析到了很多非常有价值的一些科学的结论。比如说月球的演化，为什么我们要研究月球的演化？通过月球演化，我们能够类比出地球的演化，（月球）里面有一些稀有的元素，有可能我们地球上没有，因为地球资源是有限的，那么随着科技的进一步发展，我们能够有效地利用月球的资源，这点是无比重要的。另外，就是从整个探索宇宙，探索太空的角度来讲，我们下一步我们就不仅仅局限于探索月球，人类我们要登上月球，我们要在月球上实现科考站，甚至我们要把月球作为一个基地，用它来鞭策我们向更远的宇宙、向更远的深空进行一个探索，所以我想归根为一句话，就是科技永远在进步，探索也是无穷止境的。周女士，您怎么来看您自己的工作，所做的事情对普通人的意义？能够到达未知的世界，能够探索未知的事情都是很有意义的。今天非常感谢两位来到我们演播室当中，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载我们央视频的APP去收看我们过往的节目。今天的《透视新科技》就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
