少年可期

徐蒙

2019年11月14日， 經(jīng)過三個多月的漫長等待，美國國家航空航天局（以下簡稱NASA）的月球勘測軌道飛行器（LRO）終于宣布在月球背面北緯16.6956°、東經(jīng)159.5170°位置找到了我國嫦娥四號任務搭載的微衛(wèi)星——龍江二號的撞月點，為龍江二號探月任務畫上了一個圓滿的句號。

龍江二號這顆設(shè)計壽命為1年、質(zhì)量為47千克（其中15千克是燃料）、主體只有兩個家用微波爐大小的微衛(wèi)星，從2018年5月21日發(fā)射至2019年7月31日受控撞月的這一年多時間里，獨立完成了地月轉(zhuǎn)移、近月制動和環(huán)月飛行，在軌運行整整437天，成功開展了一系列射電天文觀測和對月、對地觀測任務。不僅如此，這顆“打包順帶”、差點兒半路夭折的小不點兒，還在其短暫的一生中為我們帶來了很多奇景和驚喜。

搭載著鵲橋號的長征四號丙運載火箭發(fā)射升空（圖片來源：新華網(wǎng)）

出師不利，死里逃生

2018年5月21日，嫦娥四號任務的通信中繼衛(wèi)星鵲橋號在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號丙運載火箭發(fā)射升空。

由于這發(fā)火箭尚有余力，于是順路捎帶著一同發(fā)射了兩顆由哈爾濱工業(yè)大學牽頭研制的孿生微衛(wèi)星——龍江一號和龍江二號。

這兩顆微衛(wèi)星最初的功能定位是在環(huán)月軌道上進行射電天文觀測，因此它們又被稱為“月球軌道超長波天文觀測微衛(wèi)星”。

按照原計劃，龍江一號和龍江二號將在發(fā)射后不久與火箭分離，各自獨立進入地月轉(zhuǎn)移軌道，之后再獨立完成中途的軌道修正和近月制動，進入環(huán)月橢圓軌道。待到順利入軌之后，兩顆衛(wèi)星將一前一后編隊飛行，以相距1千米～10千米的可變距離進行超長波天文干涉測量等試驗。然而，現(xiàn)實給出了意外的安排。

龍江一號和龍江二號一前一后編隊飛行的示意圖（圖片來源：NSSC）

2018年5月21日，龍江一號和龍江二號先后與火箭分離，開始獨立飛行。5月22日凌晨，龍江團隊對龍江一號進行第一次中途修正。然而，在按計劃使用5N推力器之后，雖然點火過程中衛(wèi)星狀態(tài)正常，但點火結(jié)束后，龍江一號就與地面站失聯(lián)了！地面站工作人員立刻采取措施，嘗試了盲發(fā)指令、使用大口徑天線等多種手段，還是沒能找到它。更可怕的是，由于信號丟失，地面站完全不知道龍江一號到底哪里出了故障。這樣一來，地面站工作人員就不敢輕易對龍江二號再進行點火修正，畢竟它倆是“孿生兄弟”呀！但不點火也不行，如果不適時進行中途軌道修正，龍江二號就會錯失進入環(huán)月軌道的時機！

在這樣一個刻不容緩又進退兩難的時刻，哈爾濱工業(yè)大學團隊和北京航天飛行控制中心的工作人員當機立斷，在短時間內(nèi)完善了故障預案，決定推遲一天對龍江二號進行中途修正。

科學家們從龍江一號傳回的殘存數(shù)據(jù)中判斷，在點火修正后它的角速度（表示物體繞圓心運動的快慢）似乎上升了。僅僅通過這一點點線索，龍江團隊決定雙管齊下：一方面換用推力較小的0.2N推力器，在點火結(jié)束后關(guān)閉自鎖閥，讓龍江二號的速度不至于一下子變化太快;另一方面換用較大口徑的深空站天線進行跟蹤，減少失聯(lián)的可能性。

5月23日，龍江團隊對龍江二號進行第一次中途修正。由于這次信號沒有丟失，故障原因終于找到了。通過龍江二號的驗證，科學家們判斷是推力器的控制邏輯錯誤致使龍江一號開始極快速旋轉(zhuǎn)且無法進行自主減速。事實上，即使龍江二號使用了小推力的推力器且及時關(guān)閉了推力閥，它的角速度也已經(jīng)迅速超過了400度/秒。由此推斷，龍江一號很可能在當時的快速旋轉(zhuǎn)中直接解體了。即便沒有直接解體，由于那時候的衛(wèi)星已經(jīng)無法維持姿態(tài)，太陽能板不能對準太陽，也必然會在幾個小時內(nèi)耗盡能源。

原因找到了，事情就解決了一半。龍江團隊當即對龍江二號展開搶救，反復發(fā)送陀螺儀開機指令，在陀螺儀自動關(guān)機前將數(shù)據(jù)下傳至地面，利用陀螺度數(shù)判斷衛(wèi)星自旋方向，手動控制推力器進行減速，三個小時內(nèi)發(fā)送指令五百余條，終于將衛(wèi)星角速度降低至400度/ 秒以下，衛(wèi)星隨即自主減速，恢復正常姿態(tài)?？傊?，在第一次軌道修正后，龍江二號死里逃生。

5月24日，龍江二號順利完成了第二次中途修正。5月25日，它又順利完成了近月制動，成功進入環(huán)月軌道。

龍江二號微衛(wèi)星實物（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學）

射電天文觀測：單槍匹馬探宇宙

龍江任務一共攜帶了兩種科學載荷，其中最主要的就是低頻射電探測儀。這種科學儀器在兩顆龍江衛(wèi)星上均有搭載，由中科院空間中心研制和收發(fā)指令信號。熟悉嫦娥四號的朋友應該對這種儀器并不陌生。

由于電離層的阻擋，波長10米以上的電磁波幾乎無法穿透大氣來到地球表面。所以，如果想要對波長更長的低頻電磁波進行觀測，就必須離開地球大氣層，而月球附近就是一個極佳的觀測場所。

不僅是龍江一號和龍江二號，嫦娥四號著陸器和鵲橋號通信中繼衛(wèi)星上也都搭載了低頻射電探測儀。三種航天器的觀測頻段雖然略有差異，但都能填補地基射電天文觀測的空白。然而，龍江一號的失聯(lián)，意味著原本計劃的雙星射電干涉測量已無法完成，但單星低頻射電探測依然可以進行。來都來了，當然要盡力而為！

同樣是在月球附近，月球正面和背面軌道上觀測到的低頻射電信號卻有很大差別：在月球的遮擋下，月球背面可以更好地屏蔽來自地球的射電干擾。在環(huán)繞月球的過程中，龍江二號會反復飛過月球的正面和背面——也就可以完美驗證和觀測月球?qū)Φ皖l射電信號的遮擋效果。

龍江二號環(huán)繞月球飛行示意圖（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學）

2018年5月26日，龍江二號上的低頻射電探測儀首次開機，此后共接收了329分鐘的觀測數(shù)據(jù)，證實了月球?qū)Φ厍蛏潆姼蓴_的遮擋效果非常明顯。不僅如此，龍江二號還測量了月球正面軌道上1MHz～30MHz 頻段的連續(xù)譜，完成了地球射電干擾普查。

沙特相機：中國與中東合作的里程碑

雖然龍江一號和龍江二號是“孿生兄弟”，但這次龍江號任務攜帶的另一種科學載荷——由沙特阿拉伯研制的月球小型光學成像探測儀（微型光學相機），幸運地搭載在大難不死的龍江二號上。

2018年5月28日，入軌三天后，微型光學相機首次開機。此后，該相機于龍江二號在軌期間，累計完成30次拍攝，成功拍攝了包含波斯灣、紅海、地中海、阿拉伯半島等區(qū)域的地月合影，以及多幅月球部分區(qū)域的科學探測影像。

作為嫦娥四號任務的國際合作載荷之一，龍江二號的成功在中東地區(qū)產(chǎn)生了強烈的反響，成為我國與中東國家在航天領(lǐng)域合作的又一標志性成果，也由此拉開了中沙航天深度合作的序幕。

微型光學相機在龍江二號上的位置（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學）

業(yè)余無線電通信：全世界無線電愛好者們的共同努力

龍江衛(wèi)星共有三個通信頻段——S頻段、X頻段和VHF/UHF頻段，其中S頻段用于測控，X頻段用于科學載荷的數(shù)據(jù)傳輸，兩者均由中國深空網(wǎng)臺站負責。這樣的國家級機構(gòu)有著18 米～65米口徑的強大天線，但可以分配給龍江任務的資源有限，所需的高耗能也給龍江這樣的小衛(wèi)星造成一定的壓力。因此，龍江衛(wèi)星還攜帶了由哈爾濱工業(yè)大學紫丁香學生微納衛(wèi)星團隊研制的甚高頻/超高頻（簡稱VHF/UHF）通信模塊，其中VHF頻段用于上行（上傳指令），UHF 頻段用于下行（接收衛(wèi)星狀態(tài)和載荷數(shù)據(jù)）。

在龍江衛(wèi)星發(fā)射之前，紫丁香學生微納衛(wèi)星團隊、哈爾濱工業(yè)大學業(yè)余無線電俱樂部的二十余名學生通過新建、改造、借用等方式，在哈爾濱、北京、哈密、廣州、德文格洛（荷蘭）、和歌山（日本）等地設(shè)立了6個VHF/UHF 地面站，并開發(fā)了開源的調(diào)制解調(diào)軟件和網(wǎng)絡傳輸軟件，搭建了數(shù)據(jù)解析服務器。

在整個龍江衛(wèi)星任務期間，眾多業(yè)余無線電組織、愛好者團體和個人都為龍江二號的通信貢獻了自己的力量。一些無線電愛好者甚至僅僅通過自家門前或屋頂?shù)摹昂喡苯邮赵O(shè)備，就投身于龍江任務的協(xié)作之中。

從兩顆龍江衛(wèi)星與火箭分離，到龍江二號任務結(jié)束，來自巴西、智利、美國、波蘭等十余個國家的共50 個地面站成功實現(xiàn)了龍江衛(wèi)星UHF頻段的信號和數(shù)據(jù)接收。

除了接收數(shù)據(jù)，多個地面站還通過龍江二號的UHF頻段開展了諸多業(yè)余無線電試驗。2018年6月10日，德文格洛25 米天線和北京12米天線協(xié)作完成了國際首次月球軌道UHF頻段甚長基線干涉測量的定軌試驗。2019年7月1日，在下載日全食測試影像的間隙，哈爾濱工業(yè)大學集體業(yè)余電臺與德國業(yè)余無線電愛好者Reinhard Kuehn通過龍江二號衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)通信功能，實現(xiàn)了中國與德國的雙向通信。此時，衛(wèi)星到通信雙方的距離約為360000千米。這是國際首次月球軌道衛(wèi)星的業(yè)余雙向通信。

龍江任務的VHF/UHF通信模塊是一次低成本、低能耗的深空衛(wèi)星通信嘗試，通過借力世界各地的業(yè)余無線電愛好者和地面站，完成了龍江任務VHF/UHF頻段的信號收發(fā)。這是國際首次在月球軌道進行的業(yè)余無線電通信試驗。從這個角度來說，龍江任務的順利完成，不僅促進了民間的國際交流，也是全球無線電愛好者們的共同勝利。

學生CMOS相機：Inory之眼

2019年2月，龍江二號拍攝的“最美地月合影”在美國《科學》雜志、英國《獨立》報上刊發(fā)，引起了全世界的廣泛關(guān)注。而拍攝到這一奇景的，只是龍江二號上一個極不起眼兒的試驗設(shè)備——微型CMOS相機。

你可能想象不到，這個微型相機的重量僅有20克，大小只有兩個一元硬幣那么大。更難能可貴的是，這個相機是由哈爾濱工業(yè)大學以本科生為主的學生團隊負責研制的，研發(fā)人員平均年齡不足24歲，可以稱得上是中國最年輕的航天團隊了。

世界各地的地面站天線助力龍江衛(wèi)星完成通信任務（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學）

在龍江衛(wèi)星極其嚴苛的尺寸和重量限制下，這個年輕的微型相機研發(fā)團隊克服了重重困難，出色地完成了相機的設(shè)計、衛(wèi)星在軌時的拍攝、照片的傳輸和后期處理工作。

除了這張“最美地月合影”，微型CMOS相機還拍攝過其他角度的地月合影、火星與摩羯座天區(qū)、月面云海等諸多美麗的照片。這個小相機，在龍江團隊和助力龍江任務的無線電愛好者團體內(nèi)部有個可愛的昵稱：Inory之眼。這是相機設(shè)計師蒙古族小伙子泰米爾喜歡的動漫歌手“祈Inory”的名字。這個名字也被刻在了CMOS相機的電路板上，隨著龍江二號一起環(huán)游月球，一路見證著龍江二號的艱辛和喜悅。

最美地月合影（圖片來源：《科學》雜志）

微型CMOS相機的數(shù)據(jù)是由全世界無線電愛好者們協(xié)同接收的，相機拍攝的每張照片都被分割成一小包一小包的數(shù)據(jù)，由多位愛好者接收之后再拼接起來。所以說，是全世界無線電愛好者們共同“拼”出了包括“最美地月合影”在內(nèi)的諸多美圖。

從月球上看日全食

2019年7月3日，當年唯一一次日全食在南美洲的上空上演。在這次日全食發(fā)生期間，地球上的我們能在一些地方看到月球完全遮擋住太陽的景象。

那如果在月球附近觀測日全食，又會看到怎樣的場景呢？彼時正在繞月飛行的龍江二號為我們提供了一種“上帝視角”。如何做好規(guī)劃讓龍江二號的CMOS相機找到合適的機位和時機，用自己有限的性能記錄下這次千載難逢的奇觀呢？

這場來自宇宙的挑戰(zhàn)讓年輕的龍江二號團隊和眾多業(yè)余無線電愛好者摩拳擦掌，激動不已。

日食第三次成像（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學）

在日全食發(fā)生的兩個多小時里，月球遮擋住太陽，龍江二號剛好會經(jīng)過月球背面，可以找到滿足對地拍攝的條件和時機。7月3日凌晨，龍江二號完美地執(zhí)行了拍攝任務，用微型CMOS 相機從月球軌道上拍攝下日全食期間月球投射在地球上的影子。最終，照片的接收和下載由遍布世界各地的地面站合作完成。這次協(xié)同大作戰(zhàn)的成功，讓所有參與行動規(guī)劃和數(shù)據(jù)接收的朋友獲得了極大的喜悅和滿足。

令人遺憾的是，此時已是2019年7月初，已經(jīng)完成既定使命的龍江二號將在月底結(jié)束任務。為了避免衛(wèi)星失去動力后產(chǎn)生太空垃圾，龍江二號選擇在尚有燃料的情況下主動撞月墜毀。

龍江二號受控撞月前傳回的最后一張完整照片（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學）

受控墜毀：月宮長眠

2019年7月31日，已經(jīng)完成所有任務的龍江二號按照既定計劃在月球背面撞毀。

直到撞月前幾個小時，各地愛好者們依然沒有停止接收龍江二號的數(shù)據(jù)。不過，因為龍江二號與鵲橋號通信中繼衛(wèi)星之間沒有數(shù)據(jù)接口，所以龍江二號運行到月球背面時已沒有信號傳回。

我們無法看到龍江二號撞月的實況直播，也無法立刻知道最終的精確撞月點，只能等待這一時期唯一一顆在軌環(huán)月衛(wèi)星——NASA的月球勘測軌道飛行器（LRO）過境時拍攝撞擊后的月面，才可能知道龍江二號的最終歸處。

幸運的是，月球勘測軌道飛行器在兩個多月后順利拍攝到了預定撞月區(qū)域一帶的月面照片。隨后，LROC項目組從中找到了龍江二號的撞月點。龍江二號在月球背面留下了一個4 米×5米的人造撞擊坑，就這樣，它和眾多探月前輩一起永久地沉睡于月球上。

再見了，龍江二號！你的成功既是年輕一代航天人的勝利，也是全球無線電愛好者們的勝利！謝謝你，讓我們相信小小的身軀也能創(chuàng)造大大的奇跡！