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）