打破欧美垄断！嫦娥2号硬闯150万公里L2点，还拍回全球最清月球照

上次我们讲到了嫦娥1号，这枚探测器，其实就是我国在深空探测领域的一次尝试，也是探月计划的开端。所以，嫦娥1号的任务就是绘制高精度的三维地图，为未来的着陆器打前站，做数据上的准备。同时也测试一下轨道精确操控，测试一下深空测控网络。人造卫星的轨道和天然卫星月亮，完全不是一码事。

实践证明，嫦娥1号的表现非常优异，本来计划工作1年就算够本儿了，结果工作了490天。为了保险起见，探测器带了不少用于变轨的燃料，因为咱们的轨道控制非常精确，这些燃料就没用上，所以才能超期服役那么久。

但凡是一颗不着陆的环绕器，携带的仪器通常都有这么几项，首先是多光谱高分辨率立体相机，其次就是X射线和伽马射线的观测仪器。相机负责拍照，X射线和伽马射线仪器主要负责分析土壤和石头的成分。为了获得三维高程，通常还带着雷达或者激光高度仪。

嫦娥2号探测器

深空探测器往往要在太空里走好久，到个月球大概走五六天，去趟火星往往就是六七个月，这段时间不能浪费，干脆再搭载一些高能粒子探测器，探测一下太阳风的高能粒子。其他的嘛，就是无线电通信装置，通常包括低增益的全向天线，高增益的定向天线。你把这些准备好了，一颗探测器就算是齐活了。

嫦娥1号拍摄了当时最高分辨率的月球地图，包括照片分辨率和高程的分辨率都是当时最高的。而且还是实现了全月球高分辨率地图绘制。过去南北纬70度以上的地区往往照顾不够，拍摄分辨率也不高。这次咱们的嫦娥1号把这个弱项给补上了。因为咱们后续的探测器，需要降落在月球的南极。你没有高精度地图怎么行呢？

嫦娥2号和嫦娥1号基本一样，2号本来就是1号的备份星，既然1号已经超额完成任务，2号到底干点什么好呢？当然要上点难度了。首先，这次走快捷通道，没必要像嫦娥1号那样兜圈子了。嫦娥1号为了稳妥起见，先是绕着地球兜圈子，然后转一圈开发动机加速一次，经过好几次变轨加速，最后进入地月转移轨道，这才奔着月球去了。

嫦娥2号从西昌发射

嫦娥2号就没必要找这个麻烦了，咱们可以一步到位，从西昌卫星中心发射，咱们可以直接加速，进入地月转移轨道。嫦娥1号2007年的10月24号发射，一直到11月5号才进入环绕月球的轨道，中间相隔12天。嫦娥2号2010年10月1号发射，只要跑5天就够了。

另外，嫦娥1号是在200公里高的环绕轨道上转悠，偶尔下探到100公里高度去看看，这次嫦娥2号可以直接降到100公里高度拍照片，降得越低，拍照片分辨率越高嘛，离得近看得更清楚嘛。嫦娥2号的地图绘制分辨率比嫦娥1号还要高，分辨率提高到了7米。至今为止最清晰的月球地图就是嫦娥2号绘制的，而且地形高程的分辨率也达到了30米，这就为日后着陆器的登陆提供了数据支撑。

嫦娥2号下探到了距离月球仅仅15公里的超低距离，对着月球上的虹湾地区进行了最高分辨率的拍摄，这里就是未来嫦娥3号预定的着陆点，当然应该好好的探测一下。根据发送回来的数据，这里相当平坦，是个理想的着陆地点，而且根据对月壤的分析，这里玄武岩比较多，地皮也比较硬，探测器落地不会陷进去。

嫦娥2号就这么转悠了半年，本职工作基本上都搞定了。如果仅仅如此，嫦娥2号不过是把嫦娥1号干过的事儿在原有基础上深化了一下，没有特别出彩的。但是，地面上的工程师和科学家们雄心壮志远不止于此，他们打算到更远的地方去看看。

工程师和科学家们选中了地日系拉格朗日点L2，距离我们150万公里，这一家伙走远了。这其实就是为以后的深空探测积累经验。在此之前，把航天器发送到L2点上，只有美国人和欧空局做到了。我们要是干成了，就是第三个。

当然，这也是对我国测控技术的一次考验，毕竟150万公里。比月球还远好几倍呢。像嫦娥1号和2号这样的探测器，无线电发射功率也就是20瓦左右，这点功率传递150万公里，实在是有点难，地面上的各种乱七八糟的无线电噪音太大太杂了。好在呢，噪音是杂乱无章的，我们现在用密云、上海、乌鲁木齐和昆明4个大天线同时测控，这四个测控站获取的有用信号应该是一致的，但是噪音各有不同。我们可以用信号处理的办法过滤掉噪音，把需要的信号给提取出来。

其实这种提取信号的算法，大家的手机也都在用。GPS卫星的高度都在1.8万公里~2万公里的中轨道上，比近地轨道远的多，比同步轨道近一半，所以叫中轨道。GPS卫星发出的的信号强度已经被各种环境噪音给掩盖了，手机就是通过对多颗卫星的信号接收，然后通过数据算法滤掉噪音，把微弱的信号挖出来。

但是，深空测控可不仅仅是收发信号这么简单，还得利用无线电来测量，对探测器的位置进行精确定位。否则你怎么知道探测器的位置有没有偏差，速度是快了还是慢了，到底是向左拐还是向右拐？这些数据全靠无线电跟踪测量技术。

甚长基线干涉测量（VLBI）

目前精确度最高的测量手段就是甚长基线干涉测量，也就是利用密云、上海、乌鲁木齐和昆明的四个小天线，联合在一起，组成一个望远镜阵列，等效口径3000公里，这样的技术，就可以提供足够的测量精度了。

这个精确度甚至可以用来测量月球的质量分布。月球并不是一个均匀对称的球体。卫星在环绕月球轨道转圈圈的时候，这个圈圈也不是标准的椭圆，而是像走在颠簸土路上的汽车，地面只要监控探测器的细微颠簸，就可以反推出月球的质量分布状况，如果测量精确度不高，怎么能测得那么精细呢？

2011年的6月9号，嫦娥2号两次开机变轨，离开了环绕月球的轨道，开始去往150万公里之外的地日L2点。像詹姆斯韦伯望远镜就放在L2点上，但是这些探测器是从地球上直接发射的，从月球轨道拐弯跑去L2点的只有嫦娥2号一个。

因为L2点距离太远，嫦娥2号还得飞一阵子，一直到8月25号，才正式到达L2点附近。

L2点是个引力的平衡点，这里空无一物，但是探测器居然就可以绕着这个空无一物的虚拟的点绕圈圈，虽然不是自动稳定，但是只要稍微花一点点燃料就可以基本维持这种绕圈圈的轨道。当然，这个圈圈可不是平面上的圆或者椭圆，这个轨迹有点像薯片的边缘，这种绕着拉格朗日点转圈圈的轨道叫做晕轮轨道。当然，你不喜欢绕圈圈，绕“8”字也行，而且是个三维空间的立体8字。这种图案叫“李萨如图形”。

发现晕轮轨道的是NASA的罗伯特·法夸尔。1969年的时候，美国人实现了等月计划。美国总统尼克松授权组成个专家小组，研究一下未来长远的探测计划。有人提出了在月球轨道上建立一个空间站，当时法夸尔就觉得不好，不如在月亮背后的地月拉格朗日点L2上建立一个空间站，停在那里比停在环绕月球的轨道更划算。从地月L2点下到月球表面虽然比较费劲，不如近月轨道来的方便。但是，从地球给这个空间站送补给比较便宜。如果是环绕月球的轨道，你要刹车减速，被月球引力捕获，这个过程太费油。到拉格朗日点比较省事，进出消耗的能量都很低。

晕轮轨道

另外，拉格朗日点空无一物啊，这不是个实体的点，你不用担心撞上。环绕月球的低轨轨道也是会不断下降，最后说不定就撞了，还是L2点安全。

法夸尔很有自信，觉得自己正确。最后嘛，这些设想都不了了之了。真跑到地月拉格朗日点上去的探测器只有鹊桥中继卫星，这家伙在那里绕圈圈呢，美国人唏嘘不已啊，他们当年想过，可惜没机会实现。

当然，美国人前些年又把绕月的空间站计划给提上议事日程了，叫做“月球门户”。计划来计划去，也不知道猴年马月才能实现。下一个猴年是2028年，估计够呛。

月球门户空间站

1978年，美国人发了一个探测器叫“ISEE-3”花了半年时间，慢慢飞到了地日拉格朗日点，发现这个停留在这个点附近的确是可以行的。L2点永远躲在地球的阴影里，想避免阳光干扰的探测器非常适合猫在这里。

嫦娥2号在150万公里以外拉格朗日点上绕圈圈，又饶了好几个月。针对月球探测的仪器基本上没啥用。太阳风离子探测器、高能粒子探测器、X射线谱仪这三个仪器开机了，其他的都歇着呢。咱还是省点电吧。

到了2012年的4月份，地面上的工程师和科学家们再一次让嫦娥2号“改行”了，让它从地日L2点一杆子支出去，去拜访一下700万公里之外的图塔蒂斯小行星，这一下是彻底走远了。

我做了这么多期节目了，从来没见过这么不务正业的探测器。这都哪儿跟哪儿啊？由此，嫦娥2号从从探月优等生变成了深空拓荒者，变成了一颗名副其实的深空探测器了。所以啊，别人要问您，我国第一个深空探测器是哪一个啊？您千万别把嫦娥2号给忘了。

那么，地面人员为啥会选中这个图塔蒂斯小行星呢？这可就说来话长了。

首先是粗筛，现在嫦娥2号纯属退休返聘，发挥余热。太远的地方去不了。控制在1500万公里之内。在这个范围内，测控网的天线还能收到信号。

另外，时间不能太早，因为为了支援后续的嫦娥3号和4号，喀什和青岛原有的测控站要升级。喀什测控站要新增一台35米直径的大天线，新建的佳木斯测控站要建造一个66米口径的大天线。基础设施建造也是要花时间的。所以，嫦娥2号和目标的汇合时间应该是在2012年10月到2013年6月之间。

喀什测控站

另外，目标总要跟地球有点关系，跟地球八竿子打不着的小天体，探测的必要性不大。只有那些时不时就横穿地球轨道的小天体才有探测的必要性。你不得防止它们撞上地球嘛。

根据这几个条件，从70万颗小天体里边筛出了51颗候选目标。下一步就是对这些天体本身进行挑选了。首先是有明确的户口编号，凡是有编制的，都有足够的观测数据，起码轨道计算比较精确。另外，您长得太小就没意思了，您只有20米大，这还没个楼高，完全没有探测的必要。

嫦娥2号用的不是主相机，而是监视电池板的相机，这东西分辨率有限，镜头也不是长焦，离远了看不清，太小的也看不清，所以，尺寸起码要1公里起步，这几个条件一卡，剩下的后选名单就只剩下6个了。

算来算去，有的小天体跑的太快，嫦娥2号没剩下多少燃料，追不上这个家伙。只能剔除这个家伙。有的倒是不算远，变轨花费的燃料也不多。但是无奈这家伙太黑，反照率不足，影响拍照片。没办法，长得黑就是你的错嘛。

筛来筛去，只剩下最后一个目标了，那就是编号4179的小天体—图塔蒂斯小行星。这家伙最起码有2.8公里宽，长度4.6公里，这家伙足够大了。

你别说，科学家们选来选去，还真选了一颗奇葩的观测目标。这家伙最早是1934年被观测到的。然后呢，然后就丢了。因为观测数据太少，计算不出轨道，你也就无法判断照相底片上这个小黑点到底是谁？你没办法凭借模样分辨谁是谁啊。

一直到了1989年，这家伙才重新被法国天文学家发现，就用凯尔特部落保护神图塔蒂斯的名字给它命名了，编号4179.

图塔蒂斯小行星的雷达图像

美国人用雷达波对这颗小家伙进行了探测，发现这家伙在乱滚。别人都有固定的自传轴，这家伙自传轴不固定，自传轴在周期性搅和。自转一圈5.4天，自转轴的近动周期是7.3天。

1992年，阿雷西博望远镜用雷达波探测了这个家伙的形状，长得实在是怪异，有点像花生米。阿雷西博是固定在坑里，能观测的方向不多。戈德斯通测控站的大天线是可以转动的，可以用雷达波长时间观测，所以，大家首先获得的是这个小天体的雷达图像，雷达图像很模糊，只能凑合看个轮廓。

这个家伙的公转轨道也比较混乱，因为它频繁靠近大行星，经常被大行星的引力所干扰。它的远日点在小行星带，受到木星的影响，轨道周期和木星呈现出3:1的共振。也就是说这家伙转3圈，木星转一圈。但是这家伙近日点贴着地球轨道，所以它的周期又跟地球有某种近似整数比，大概是1:4，也就是地球转4圈，它转一圈。

图塔蒂斯小行星的轨道（蓝色为地球，青色是木星，洋红色是图塔蒂斯）

1992年，这家伙距离地球只有400万公里，这点距离在太阳系，实在是不算什么，已经贴得很近了。2004年，这家伙从150万公里的地方穿过地球轨道。到底什么时候撞上地球，大家心里没底啊。

反过来讲，这种高频次、近距离的 “拜访”，让它成为人类研究近地小行星轨道的绝佳样本。因为这家伙的轨道比较诡异，所以跟踪起来有点难度。图塔蒂斯不是静止的，它绕太阳公转速度约28公里/秒，它自己还在“翻跟头+打滚”。再加上它自身形状不规则，光照引起的物质挥发喷射也就不可控，你别小看这种挥发喷射，轨道变了一点点，那就失之毫厘，谬之千里了。

所以，地面团队先根据图塔蒂斯的轨道数据，计算出嫦娥2号的“理论飞行路径”，分成多个阶段调整轨道。地面上的测控网络时刻紧盯，隔一段就微调一下轨道。距离越近，调整越频繁。说实话，佘山的大天线和昆明的大天线我都去过，我能想象出它们出当年紧盯着太空里传来的微弱的电磁波的那种紧张感。

到了最后阶段，光靠无线电测控也不够用了，光学手段也得加上。依靠嫦娥2号发送回来的照片，和无线电数据结合起来进行精确修正。

嫦娥2号要拍摄图塔蒂斯的高清照片，必须在 “最近距离掠过” 时进行 —— 这个最佳探测窗口只有短短30分钟。如果探测器姿态调整晚一秒，或者相机开机慢一步，就会错过最佳拍摄时机，整个深空探测任务将前功尽弃。所以，地面团队提前半年就开始模拟，用计算机还原图塔蒂斯的轨道、嫦娥2号的飞行姿态，反复演练什么时调整角度、什么时候开启相机”。

就这，大家还不放心，他们在探测器上预装了自动程序，一旦地面信号延迟，嫦娥二号能根据预设参数自主调整姿态，确保在30分钟窗口期内完成拍摄。

2012年12月13日，经过1年半的飞行，嫦娥2号终于到达了图塔蒂斯附近，根据嫦娥2号回传的光学数据，它从1.5公里的距离上飞掠而过，这么近的距离，真是一种冒险的举动。但是离得近也有好处，它成功拍摄到10米分辨率的高清照片。

那么，这个家伙到底长啥样呢？我们下回再说。