地月空間三星星座有何特別

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地月空間三星星座有何特別

我國近日成功構(gòu)建國際首個基于DRO(遠(yuǎn)距離逆行軌道)的地月空間三星星座,開啟了地月空間探索新紀(jì)元。大家對于探月可能比較熟悉,那么探索開發(fā)地月空間對我國航天事業(yè)的發(fā)展有何助益?新構(gòu)建的三星星座進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行后,將承擔(dān)哪些科研任務(wù)?

地月空間是行星際生存的唯一跳板

地月空間指地球同步軌道以外、主要受地球和月球引力影響的三維宇宙空間,是從距離地球3.6萬千米一直延伸到200萬千米的巨大區(qū)域。這里不僅包括了地球到月球的廣袤區(qū)域,以及整個月球正面和從地球上不可見的月球背面,還包括地球與月球引力平衡的拉格朗日點(diǎn)區(qū)域、各式各樣的軌道族(指擁有相似軌道元素的衛(wèi)星種群)等,比地球軌道空間擴(kuò)大了上千倍。

現(xiàn)代航天學(xué)的奠基人、著名火箭專家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基有一句經(jīng)典名言:“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。”人類航天事業(yè)經(jīng)過68年的發(fā)展,最遠(yuǎn)只短暫抵達(dá)過月球,尚不具備真正“走出搖籃”的能力。而地月空間,是人類“走出搖籃”后的“第一步”,更是開啟星際征程的必經(jīng)之路。

地月空間具有豐富的物質(zhì)、能源、軌道、環(huán)境等戰(zhàn)略資源,隨著航天技術(shù)的快速迭代式發(fā)展和應(yīng)用,這一空間愈加受到世界的關(guān)注。率先搶占地月空間探索開發(fā)科技制高點(diǎn),必將掌握足以實(shí)現(xiàn)國家跨越式發(fā)展的新資源、新能源。

往近看,地月空間在推動科學(xué)與技術(shù)發(fā)展、商業(yè)化月球資源開發(fā)、太空旅游等方面均蘊(yùn)含著重大應(yīng)用前景;往遠(yuǎn)看,地月空間是人類拓展生存空間的新疆域,是抵達(dá)火星乃至更遠(yuǎn)深空實(shí)現(xiàn)行星際生存的唯一跳板。因此,這是歷史機(jī)遇,不容錯過。

構(gòu)建三星星座的DRO屬稀缺資源

此次引起關(guān)注的地月空間三星星座,是基于DRO(Distant Retrograde Orbit,遠(yuǎn)距離逆行軌道)構(gòu)建的,在國際上尚屬首次。那這種軌道有什么特別之處,為何非它不可呢?

宇宙中任何一個物體都受到萬有引力的作用,這也意味著它將受到這些力的驅(qū)使,運(yùn)動在特定軌道上。廣袤的地月空間內(nèi),地球和月球是最主要的引力源,在它們引力的共同驅(qū)使下,形成了不同的衛(wèi)星飛行力學(xué)環(huán)境,進(jìn)而造就了地球低軌道、地球同步軌道、共振軌道、暈輪軌道、凍結(jié)軌道、拉格朗日/平動點(diǎn)等。其中,有一類軌道名為DRO,它正是我國構(gòu)建三星星座背后的主要舞臺。

DRO因具有特殊的運(yùn)動特性,被科學(xué)家稱為遠(yuǎn)距離逆行軌道:“遠(yuǎn)距離”體現(xiàn)在距離地球31萬-45萬千米、距離月球7萬-10萬千米;“逆行”體現(xiàn)在從月球上看DRO的衛(wèi)星是逆著走的,而在地球上看DRO的衛(wèi)星和月球是順著走的,即所謂的“順行繞地、逆行繞月”。

正常來說,衛(wèi)星在地月空間中會受到地球和月球的引力撕扯,形成猶如科幻小說中三體世界一樣混亂、根本無法預(yù)測未來的軌道,可能隨時面臨著“毀滅”。但是,DRO這個特殊軌道卻在極其混沌的世界中找到了有序和平衡,當(dāng)一個衛(wèi)星處在這個軌道族的區(qū)域時,它雖然受到同等量級的地月引力,卻展現(xiàn)出不可思議的穩(wěn)定性。更重要的是,DRO由于具有以下3個主要特點(diǎn),成為地月空間的稀缺資源。

特點(diǎn)一:勢能高地,全域可達(dá)。地球和月球這兩個沉重的天體仿佛在宇宙的平靜表面砸下兩個大坑,兩個大坑的邊緣形成了巨大且廣袤的勢能高地,這就是DRO軌道族。在這里居高臨下,俯瞰地月,是扼守地月與深空的十字路口,可利用勢能優(yōu)勢輕易前往地月空間的任何角落。

特點(diǎn)二:受力平衡,長期穩(wěn)定。一旦火箭“背”著衛(wèi)星努力到達(dá)DRO這個地月空間內(nèi)高地后,就仿佛飛機(jī)“背”著乘客到達(dá)青藏高原。衛(wèi)星面對的就是這樣一個廣袤無垠、自由馳騁的大平原,位居勢能高地后反而收獲了一種極致的動力學(xué)平衡和穩(wěn)定。從目前的理論研究和實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)來看,DRO任務(wù)實(shí)現(xiàn)百年穩(wěn)定并不是夢。

特點(diǎn)三:蓄勢待發(fā),低能轉(zhuǎn)移。DRO積蓄了足夠大的引力勢能,像一個蓄滿能量的彈簧。衛(wèi)星已具備了接近地月空間系統(tǒng)逃逸的能量,因此可以憑借較小的推進(jìn)力進(jìn)入弱穩(wěn)定邊界軌道,開展“以時間換能量”的低能轉(zhuǎn)移變軌。正如本次實(shí)驗(yàn)星座的DRO-A/B星,雖然離開火箭后飛行進(jìn)入DRO花費(fèi)的時間較長,但所需推進(jìn)燃料僅為傳統(tǒng)方式的五分之一。

如同通過航海發(fā)現(xiàn)新大陸、利用空氣動力實(shí)現(xiàn)洲際飛行、利用火箭進(jìn)入太空一樣,DRO有望成為地月空間科學(xué)探索的新疆域、部署空間應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施的新高地、支持載人深空探索的新起點(diǎn)。在人類航天對DRO的認(rèn)知尚處于起步階段時,中國科學(xué)院的科學(xué)家們已率先基于DRO這一寶貴資源進(jìn)行了理論前沿探索、實(shí)地探測驗(yàn)證與創(chuàng)新開拓實(shí)驗(yàn),最終成功構(gòu)建三星星座,并通過十萬千米級的三星組網(wǎng)開展了各項(xiàng)科學(xué)與技術(shù)研究。

成功驗(yàn)證“衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星”定軌新技術(shù)

在沒有任何成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒的前提下,構(gòu)建地月空間三星星座非常不容易。

據(jù)中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心副主任王強(qiáng)研究員介紹,2017年,科研團(tuán)隊(duì)率先啟動地月空間DRO的獨(dú)特屬性和戰(zhàn)略價值預(yù)先研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān);2022年2月,中國科學(xué)院啟動實(shí)施A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“地月空間DRO探索研究”,提出自主創(chuàng)新的地月空間大尺度三星星座方案;2024年2月3日,首顆衛(wèi)星DRO-L發(fā)射,成功進(jìn)入距離地球約500千米高的太陽同步軌道,并正常開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

不料,2024年3月13日,DRO-A/B雙星組合體在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空后,出現(xiàn)了嚴(yán)重火箭發(fā)射異常,不僅遠(yuǎn)地點(diǎn)高度僅為預(yù)計(jì)的一半、組合體也以200度每秒的速度轉(zhuǎn)了起來,導(dǎo)致衛(wèi)星受損。雖然工程團(tuán)隊(duì)緊急實(shí)施的多次消旋及近地點(diǎn)軌道機(jī)動補(bǔ)救控制獲得成功,但電能和燃料始終是一個大問題。

為此,工程團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用了“太陽、地球、月球”聯(lián)合借力的低能軌道轉(zhuǎn)移方式,即精準(zhǔn)控制衛(wèi)星的預(yù)定軌道瞄準(zhǔn)地球或月球,讓它們強(qiáng)大的引力成為特殊的“引力彈弓”,在衛(wèi)星準(zhǔn)時、準(zhǔn)確抵近后再被引力彈出去。當(dāng)彈至更遠(yuǎn)空間時,地球和月球的引力變?nèi)酰栆﹄S即接力。這就好比在太空中打“桌球”,一定要環(huán)環(huán)相扣才能準(zhǔn)確“清臺”。對于DRO衛(wèi)星組合體而言,這是一場歷經(jīng)約123天、850萬千米航程后的“太空桌球”,每一次微弱的軌道機(jī)動(宇航器有目的地按設(shè)計(jì)主動改變原有軌道的機(jī)動飛行)都要無比精準(zhǔn),否則飛行過程中就會出現(xiàn)“差之毫厘、謬以千里”的災(zāi)難。

2024年7月15日,“負(fù)傷”的DRO-A/B雙星組合體最終準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定DRO軌道。這標(biāo)志著工程團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星DRO低能耗入軌,創(chuàng)造了航天史上的一個“太空救援”奇跡。

2024年8月30日,DRO-A、DRO-B和DRO-L衛(wèi)星成功構(gòu)建K頻段微波星間測量通信鏈路,首次驗(yàn)證了地月空間尺度三星互聯(lián)互通的組網(wǎng)通信。而早在2024年4月的太陽借力飛行過程中,DRO-L衛(wèi)星/地面站和DRO-A/B衛(wèi)星組合體就嘗試了最遠(yuǎn)117萬千米的K頻段星間/星地微波測量通信鏈路,這同樣是國際首次,意味著我國已突破地月空間大尺度星座構(gòu)建核心關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。而且,在DRO-A/B雙星面臨電力嚴(yán)重不足的情況下,依然做出了這么復(fù)雜的技術(shù)試驗(yàn),實(shí)屬不易。

2025年3月底,DRO-B衛(wèi)星離開DRO奔向地月空間內(nèi)大尺度的共振軌道,三顆衛(wèi)星正式形成了從地球到月球的“地月燈塔”網(wǎng)絡(luò)。不同于傳統(tǒng)的地面測控站跟蹤衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)軌道確定的方式,DRO三顆衛(wèi)星采用了衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星的創(chuàng)新方式:即首先讓DRO-L衛(wèi)星利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)把自身位置精度確定到厘米級,成為一個“天基測控站”,再利用K頻段星間鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星,形成幫助對方實(shí)現(xiàn)定軌導(dǎo)航的新質(zhì)能力。

實(shí)測數(shù)據(jù)表明,在軌衛(wèi)星3小時星間測量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)方式2天跟蹤測量數(shù)據(jù)的定軌精度,標(biāo)志著我國首次成功驗(yàn)證了衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星的天基測定軌新體制。

“地月空間燈塔”助力衛(wèi)星高效運(yùn)行

DRO全域可達(dá)、長期穩(wěn)定、低能轉(zhuǎn)移的特點(diǎn),使得它成了地月空間復(fù)雜引力攝動環(huán)境下的一個優(yōu)質(zhì)“避風(fēng)港”,因此非常適合科學(xué)探索研究和前沿技術(shù)應(yīng)用。在執(zhí)行本次地月空間三星星座任務(wù)的DRO-A衛(wèi)星上,就搭載了能探測伽馬射線暴的科學(xué)載荷。伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的爆炸,可能源于中子星合并或超新星塌縮,研究其能譜和余輝可揭示黑洞形成、重元素合成(如金、鉑)及早期宇宙結(jié)構(gòu),然而它的持續(xù)時間只有數(shù)分鐘甚至數(shù)秒,完全無法預(yù)測?,F(xiàn)在,通過在DRO的探測器長期監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)此類宇宙極端事件后可立即通過三星網(wǎng)絡(luò)將信息下傳至地面,引導(dǎo)其他衛(wèi)星和地面觀測站立即向該方向聚焦,有望大幅提升人類對宇宙極端事件的研究時效和研究深度。這種三星組網(wǎng)的通信鏈路,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時才能回傳信息的方式,整體延遲大幅降低、更容易捕捉到關(guān)鍵信息。

傳統(tǒng)的月球及深空探測任務(wù)地基測控手段存在定軌精度不足、實(shí)施代價高、效率低等突出問題。三星互聯(lián)組網(wǎng)建立的“地月空間燈塔”,可利用衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星的創(chuàng)新技術(shù)路徑顯著提升對月球及深空探測任務(wù)的支持能力,定軌收斂速度和精度都有顯著提升。這一重要技術(shù)應(yīng)用的突破將顯著降低地月空間衛(wèi)星的運(yùn)行成本、大幅提升運(yùn)行效率,為衛(wèi)星高效運(yùn)行開辟了新路徑。

高精度軌道確定后,相當(dāng)于提升了空間載荷對位置的分辨率,可開展進(jìn)一步的科研。例如,在該軌道運(yùn)行高性能的原子光鐘,利用高精位置和時頻信息,將光鐘變成一個特殊的“傳感器”,就可以支持開展近代物理前沿的引力紅移探測和廣義相對論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。DRO遠(yuǎn)離地球和月球,受它們的引力擾動較小,受到的地球遮擋和光污染也較少,非常適合部署空間望遠(yuǎn)鏡來探測暗物質(zhì)、暗能量,開展前沿宇宙學(xué)觀測。如果在這里部署空間環(huán)境探測器,還可長期監(jiān)測地球磁層、月球表面或太陽活動,對于空間環(huán)境研究與“天氣預(yù)報(bào)”有重要意義。由于這個特殊軌道的穩(wěn)定性,或許其中還保存著太陽系演化、地月系統(tǒng)早期演化過程中最初形成的微小碎片,它們猶如太空中的“活化石”,能幫助科學(xué)家更好地研究“我們從哪里來”這個根本性問題。

目前,DRO已被證實(shí)可用于衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星天基自主定軌技術(shù)應(yīng)用,以及三星組網(wǎng)的星間、星地通信實(shí)驗(yàn)等。同時,它的低能量轉(zhuǎn)移特性能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)省燃料進(jìn)入、長期駐留、容易離開,即“進(jìn)得去”“停得住”“出得來”,非常適合擔(dān)任月球和深空任務(wù)的中轉(zhuǎn)站。例如,將DRO作為探測近地小行星或火星衛(wèi)星的臨時駐留軌道,可降低任務(wù)復(fù)雜度,這無論對于無人還是載人任務(wù),都有無可取代的重要意義?;蛟S,當(dāng)人類實(shí)現(xiàn)“行星際”生存時,DRO就是我們出發(fā)的下一站。

(作者為中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心副研究員)

責(zé)任編輯:王梓辰校對:張弛最后修改:
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