为了更好服务于登月任务,中国将会在2024年发射鹊桥二号卫星,作为探月四期公共中继星平台,鹊桥二号中继星将为嫦娥四号、六号、七号、八号任务提供中继通信服务。

就在近日,中国科学技术大学马来西亚籍副研究员刘敬祥告诉科技日报,正是于“鹊桥”作为通信站实现了地月之间的数据传输和通信,嫦娥四号探测器成为第一个成功在月球背面软着陆的探测器,为未来的深空探测奠定了基础,如后期的嫦娥六号,将执行月球背面采样返回任务。

中国航天被多次制裁,中国仍同意美国请求,借鹊桥号助美登陆月背

刘敬祥还提到,目前,中国已同意美国国家航空航天局和其他国家航空航天机构使用“鹊桥”二号的请求,以助其完成未来的月球探索任务。

美国为什么要使用中国的“鹊桥”卫星呢,大家可能不知道,美国如果想要登陆月球,那么就必须要使用中国的鹊桥中继卫星。

人类永远无法看见月球背面

由于地球强大引力的影响,月球也付出了很大代价:地球将它的自转周期减慢为与围绕地球公转周期完全一样,也就是潮汐锁定。

在这种效应下,身处地球的人类基本永远只看到月球的“正面”,只能在月球的天秤动效应下(月球轨道是椭圆,在轨道不同点的公转速度不同,月球自转也相对地球轨道面有一定倾角)看到月球“背面”一小部分(积累下来的极限是18%)。但总体来看,人类是无法看全月球背面的。

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由于潮汐锁定,自人类诞生以来,就从未有人在地球上见过月球背面,无形中,这给月球背面蒙上了神秘的面纱。

人类虽然成功登月,但月球背面却始终保持神秘,因为飞临月球背面的人类探测器无法直接与地球通信,这样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。

中国找到的办法,就是在嫦娥四号和地球之间架设一个鹊桥。也就是发射一颗中继星到达一个既能看到地球,又能看到月球的地点,承担在月球背面和地球之间建立通讯的中继任务。

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中国利用三体问题发射鹊桥

这是一个世界性难题,那就是要在地球和月球之间建立一个信号中继点,中国也是利用了三体问题才解决这一难题,“三体问题”是天体力学中的基本力学模型。它是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。

所以这样就存在着无数种的运动轨迹,比如最简单的一个例子就是太阳系中太阳、地球和月球的运动。

因为三体问题永远无解,所以科学家一般都是研究限制性三体问题的特殊解。也就是拉格朗日点,着科技的发展,人类开始探索宇宙。人们发现了越来越多的拉格朗日点现象。在各种自然界的环绕运动系统中,都有拉格朗日点。这是因为三角形是最稳定的结构,而等边三角形是三角形结构中最稳定的,所以往往是处于拉格朗日点上的物体最稳定,而不处于拉格朗日点上的物体都是不稳定的。

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科学家因此将拉格朗日点运用在了航天器发射之中,在一个限制性三体问题中,一般有5个拉格朗日点,但只有两个是稳定的,即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰,仍然有保持在原来位置处的倾向。

中国科学家尝试把中继卫星发射到月球背面上空的地月引力平衡点L2点,为什么会选择不稳定的L2 呢?除此之外,如果把嫦娥四号中继卫星直接部署到在这个拉格朗日点上,则中继星就和月球一起以相等的角速度围绕地球运动。可是中继星始终在月球背后,从地球上总是看不到它,也就不能进行中继通信了。

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虽然L1- L3是不稳定的,但可选取适当的初始扰动,使相应平动点附近的运动仍为周期运动或拟周期运动。即选取这样的初始扰动使系统原来的解退化为周期解,相应的运动变为稳定的,此时这种稳定称为条件稳定。

另外,中国科学家发现,L1、L2、L3确实都是动力学不稳定的不动点,如果直接放到这几个点上,卫星会很快就跑走,但是神奇的是,在这几个不动点附近存在很多周期轨道族,比如常用的晕轨道,晕轨道是指航天器依靠自身携带的动力源,将航天器空间位置维持在太空中多引力源对航天器共同施加作用时产生平衡点(平动点)上形成的类圆形轨迹。

所以中国科学家有创新性地采用了晕轨道形式,所以,中继星不是停下来(无论是绝对还是相对)的,而是在动力系统的不断修正下围绕在一个Halo的轨道簇中,大概远离月球6-8万千米。

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另外,虽然L2点不太稳定,但是L2点也好处多多,在这附近的探测器,不仅可以获得更多光照(也就是太阳能),而且维持轨道所需的能量还更小。

也就是说在这里,地月引力达到平衡,鹊桥号相对地球和月球达到静止状态,轨道维持需要的燃料少,获取的日照充足。

其实,在环地月L2轨道上放一颗通讯卫星,来为月球背面的任务提供通讯中继,这个想法早在1972年就已由NASA戈达德空间飞行中心的轨道设计专家Robert Willard Farquhar提出,但是美国科学家没有攻克其中的难题,这些难题最终被中国科学家所解决。

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可以说,这是中国留给世界航天史册上伟大的贡献,嫦娥四号可以说是中国航天史上最高光的时刻之一,因为中国是全球唯一一个探测器登陆月背的国家。

中国曾答应美国合作请求

早在当时,美国在得知中国要登陆月背的时候,美国和中国提出了三个请求:

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。

当时中国答应了美国的要求,不过在2019年,美国就充分让我们见识到了什么叫“农夫与蛇”,因美方的阻挠,中方代表团集体缺席了2019年度国际宇航联大会,这本是航天领域的盛事,通过交流促进航天技术的发展,科学交流本没有国界,美国这样的行为可以说真的毫无下限。

中国航天被多次制裁,中国仍同意美国请求,借鹊桥号助美登陆月背

为此,中国同意美国使用鹊桥号卫星的事情就被搁置,而如今,这则报道也就是说,中国仍同意美国请求,借助中国鹊桥号来实现登陆月背,尽管中国同意了,但是对于美国而言,还是面临很多阻力。

美国多次制裁中国航天,还立法严禁合作

比如沃尔夫条款的制约,沃尔夫条款是什么呢?2011年,美国国会通过了“沃尔夫条款”,限制美中在航天领域的合作。该条款由美国前国会议员弗兰克·沃尔夫起草、推动,堪称目前中美航天科技合作的最大壁垒之一。在中美航天合作问题上,沃尔夫条款可以概括为两点:(1)不合作;(2)不接待。“不合作”是指不允许美国航空航天局和白宫科技政策办公室与中国或者中国的国有公司在航天领域开展合作。“不接待”是指不允许在美国航空航天局拥有或者使用的设施中接待中国官方访问者。

为了更详细的指导下属企业,NASA在2012年还出台了详细指引,称法令不仅适用于这些企业的一级机构,也包括其旗下的附属公司。上至国家、中至公司,连个人都全部断绝往来,甚至连中国籍的学者和研究人员都要受到严格审查。

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但其实在沃尔夫条款之前,美国就已经立法禁止中美之间的航天合作,早在1970年4月24日,中国发射第一颗人造卫星“东方红一号”,美国就开始监听和搜集中国太空技术情报。美国动用侦察卫星、侦察机和监听站,倾力搜集有关情报,并谋求获得“东方红一号”的秘密。此后中国每次发射卫星或火箭,美国总要跟踪、监听和分析。

在20世纪末的时候,美国认为,虽然与美、俄相比,中国、欧空局、日本等的航天技术发展还处在第二层次。就中国而言,航天发射迄今只有70次左右,送上天的国产航天器只有五六十枚,与美、俄还有相当大的差距。不过,中国的运载火箭完全是自主研制的,能满足发射轨道航天器的需要,并在可靠性和安全控制等关键技术上居于先进水平。

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因此,美国空军国家安全问题研究所的报告说,中国的军事和太空技术迅速发展。该报告称,建立强大的太空、空中和地面传感系统,可以使人民解放军在未来周边地区发生武装冲突时掌握信息控制权。报告还说,中国大力研制、发展军民两用的太空系统,人民解放军的整体作战能力将得以大大提高。中国也许在不远的将来研制出新能源武器,包括大功率微波和激光武器。

为此在1999年,美国就已经立法限制了中美之间的航天合作,自1999年至今,美国政府一直通过国务院的ITAR(国际武器交易规则),禁止美国制造,包括含有美国部件的卫星用中国火箭发射,理由是中国用商业发射业务改进导弹技术。禁令两年更新一次,覆盖卫星、多数卫星部件,以及任何列入美国军备清单的其它项目。包括欧洲和日本公司在内的多数卫星制造商都至少采用部分美国部件,因而这实际上阻止了中国进入全球商业发射市场。

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国际空间站项目正式建设时,虽然沃尔夫条款还没有提出,但是受前面的影响,美国明确拒绝了中国的参与。

没有中国,美国不可能登陆月背

可以说,在中国航天发展史册上,一路走来,都是美国对中国进行的制裁,尽管中国愿意帮助美国登陆月球,但是美国却不愿意和中国分享月球。

比如NASA局长纳尔逊一直在强调,美国在载人登月计划上与中国构成事实上的竞争关系,而且美国有望于 2025 年左右再次实现载人登月,从而在这一领域 " 击败中国 "。

纳尔逊之前就曾发表过一篇文章,字里行间疯狂炒作“中国人想要独占月球”。他声称,美国面临新的太空竞赛,对手就是中国,我们现在非常担忧,中国人正在登月,并向全世界宣布“这里是我们的,你们不要来”。此外,他还在各种演讲、采访和会议中暗示中国会“独占月球”

中国航天被多次制裁,中国仍同意美国请求,借鹊桥号助美登陆月背

无论美国怎么做,在载人登月上,中国都已经做好了规划,月球探测的四期工程就是嫦娥七号、嫦娥八号在月球上构建一个月球科研站的基本型。这个基本型有着陆器、月球车、飞跃器,轨道上还有轨道器,随时在那儿观察。飞跃器要从月球上面起飞,它可以多次起飞。然后再进行载人登月任务,这个时间点在2030年前,而在这个过程中,还要修建月球空间站。,在完成载人登月任务之后,中国将对月球科研站不断拓展,解决能源问题、交通问题、通信问题、人的生命保障系统。

而美国如果没有中国的帮助,是不可能登陆月背的,可以说,如今是美国有技术难度,而并非是中国有求于美国。

中国航天被多次制裁,中国仍同意美国请求,借鹊桥号助美登陆月背

另外,美国航天局局长曾说,美国与中国的航天合作“取决于中国”,中国“必须表现出一种开放态度”,“中国太空计划透明度不高”。

如今中国主动敞开了合作的大门,但他忘记了,沃尔夫条款等一系列法律条文的存在,就已经将美国排除在了合作的大门之外,也就是说,虽然中国同意美国使用鹊桥卫星,但是美国自己受限于法律的存在,也是不可能使用的。简单来说,中美航天合作的破冰,主动权不在中国,而在美国。

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