徐蒙

2019年11月14日， 經(jīng)過三個(gè)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(hào)任務(wù)搭載的微衛(wèi)星——龍江二號(hào)的撞月點(diǎn)，為龍江二號(hào)探月任務(wù)畫上了一個(gè)圓滿的句號(hào)。

龍江二號(hào)這顆設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)間里，獨(dú)立完成了地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)和環(huán)月飛行，在軌運(yùn)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(wù)。不僅如此，這顆“打包順帶”、差點(diǎn)兒半路夭折的小不點(diǎn)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(hào)的長征四號(hào)丙運(yùn)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(hào)任務(wù)的通信中繼衛(wèi)星鵲橋號(hào)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號(hào)丙運(yùn)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(xué)牽頭研制的孿生微衛(wèi)星——龍江一號(hào)和龍江二號(hào)。

這兩顆微衛(wèi)星最初的功能定位是在環(huán)月軌道上進(jìn)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(jì)劃，龍江一號(hào)和龍江二號(hào)將在發(fā)射后不久與火箭分離，各自獨(dú)立進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，之后再獨(dú)立完成中途的軌道修正和近月制動(dòng)，進(jìn)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(duì)飛行，以相距1千米～10千米的可變距離進(jìn)行超長波天文干涉測量等試驗(yàn)。然而，現(xiàn)實(shí)給出了意外的安排。

龍江一號(hào)和龍江二號(hào)一前一后編隊(duì)飛行的示意圖（圖片來源：NSSC）

2018年5月21日，龍江一號(hào)和龍江二號(hào)先后與火箭分離，開始獨(dú)立飛行。5月22日凌晨，龍江團(tuán)隊(duì)對龍江一號(hào)進(jìn)行第一次中途修正。然而，在按計(jì)劃使用5N推力器之后，雖然點(diǎn)火過程中衛(wèi)星狀態(tài)正常，但點(diǎn)火結(jié)束后，龍江一號(hào)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(hào)丟失，地面站完全不知道龍江一號(hào)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(hào)再進(jìn)行點(diǎn)火修正，畢竟它倆是“孿生兄弟”呀！但不點(diǎn)火也不行，如果不適時(shí)進(jìn)行中途軌道修正，龍江二號(hào)就會(huì)錯(cuò)失進(jìn)入環(huán)月軌道的時(shí)機(jī)！

在這樣一個(gè)刻不容緩又進(jìn)退兩難的時(shí)刻，哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)和北京航天飛行控制中心的工作人員當(dāng)機(jī)立斷，在短時(shí)間內(nèi)完善了故障預(yù)案，決定推遲一天對龍江二號(hào)進(jìn)行中途修正。

科學(xué)家們從龍江一號(hào)傳回的殘存數(shù)據(jù)中判斷，在點(diǎn)火修正后它的角速度（表示物體繞圓心運(yùn)動(dòng)的快慢）似乎上升了。僅僅通過這一點(diǎn)點(diǎn)線索，龍江團(tuán)隊(duì)決定雙管齊下：一方面換用推力較小的0.2N推力器，在點(diǎn)火結(jié)束后關(guān)閉自鎖閥，讓龍江二號(hào)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(jìn)行跟蹤，減少失聯(lián)的可能性。

5月23日，龍江團(tuán)隊(duì)對龍江二號(hào)進(jìn)行第一次中途修正。由于這次信號(hào)沒有丟失，故障原因終于找到了。通過龍江二號(hào)的驗(yàn)證，科學(xué)家們判斷是推力器的控制邏輯錯(cuò)誤致使龍江一號(hào)開始極快速旋轉(zhuǎn)且無法進(jìn)行自主減速。事實(shí)上，即使龍江二號(hào)使用了小推力的推力器且及時(shí)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(hào)很可能在當(dāng)時(shí)的快速旋轉(zhuǎn)中直接解體了。即便沒有直接解體，由于那時(shí)候的衛(wèi)星已經(jīng)無法維持姿態(tài)，太陽能板不能對準(zhǔn)太陽，也必然會(huì)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)耗盡能源。

原因找到了，事情就解決了一半。龍江團(tuán)隊(duì)當(dāng)即對龍江二號(hào)展開搶救，反復(fù)發(fā)送陀螺儀開機(jī)指令，在陀螺儀自動(dòng)關(guān)機(jī)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(dòng)控制推力器進(jìn)行減速，三個(gè)小時(shí)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(fù)正常姿態(tài)?？傊诘谝淮诬壍佬拚?，龍江二號(hào)死里逃生。

5月24日，龍江二號(hào)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(dòng)，成功進(jìn)入環(huán)月軌道。

龍江二號(hào)微衛(wèi)星實(shí)物（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

射電天文觀測：單槍匹馬探宇宙

龍江任務(wù)一共攜帶了兩種科學(xué)載荷，其中最主要的就是低頻射電探測儀。這種科學(xué)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(hào)。熟悉嫦娥四號(hào)的朋友應(yīng)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(jìn)行觀測，就必須離開地球大氣層，而月球附近就是一個(gè)極佳的觀測場所。

不僅是龍江一號(hào)和龍江二號(hào)，嫦娥四號(hào)著陸器和鵲橋號(hào)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(bǔ)地基射電天文觀測的空白。然而，龍江一號(hào)的失聯(lián)，意味著原本計(jì)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(jìn)行。來都來了，當(dāng)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(hào)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(hào)會(huì)反復(fù)飛過月球的正面和背面——也就可以完美驗(yàn)證和觀測月球?qū)Φ皖l射電信號(hào)的遮擋效果。

龍江二號(hào)環(huán)繞月球飛行示意圖（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

2018年5月26日，龍江二號(hào)上的低頻射電探測儀首次開機(jī)，此后共接收了329分鐘的觀測數(shù)據(jù)，證實(shí)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(hào)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(jī)：中國與中東合作的里程碑

雖然龍江一號(hào)和龍江二號(hào)是“孿生兄弟”，但這次龍江號(hào)任務(wù)攜帶的另一種科學(xué)載荷——由沙特阿拉伯研制的月球小型光學(xué)成像探測儀（微型光學(xué)相機(jī)），幸運(yùn)地搭載在大難不死的龍江二號(hào)上。

2018年5月28日，入軌三天后，微型光學(xué)相機(jī)首次開機(jī)。此后，該相機(jī)于龍江二號(hào)在軌期間，累計(jì)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(xué)探測影像。

作為嫦娥四號(hào)任務(wù)的國際合作載荷之一，龍江二號(hào)的成功在中東地區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)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(biāo)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(xué)相機(jī)在龍江二號(hào)上的位置（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

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(gè)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(xué)載荷的數(shù)據(jù)傳輸，兩者均由中國深空網(wǎng)臺(tái)站負(fù)責(zé)。這樣的國家級機(jī)構(gòu)有著18 米～65米口徑的強(qiáng)大天線，但可以分配給龍江任務(wù)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(xué)紫丁香學(xué)生微納衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)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(xué)生微納衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)業(yè)余無線電俱樂部的二十余名學(xué)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(gè)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(luò)傳輸軟件，搭建了數(shù)據(jù)解析服務(wù)器。

在整個(gè)龍江衛(wèi)星任務(wù)期間，眾多業(yè)余無線電組織、愛好者團(tuán)體和個(gè)人都為龍江二號(hào)的通信貢獻(xiàn)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(wù)的協(xié)作之中。

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

除了接收數(shù)據(jù)，多個(gè)地面站還通過龍江二號(hào)的UHF頻段開展了諸多業(yè)余無線電試驗(yàn)。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(yàn)。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(xué)集體業(yè)余電臺(tái)與德國業(yè)余無線電愛好者Reinhard Kuehn通過龍江二號(hào)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)通信功能，實(shí)現(xiàn)了中國與德國的雙向通信。此時(shí)，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(wù)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(wù)VHF/UHF頻段的信號(hào)收發(fā)。這是國際首次在月球軌道進(jìn)行的業(yè)余無線電通信試驗(yàn)。從這個(gè)角度來說，龍江任務(wù)的順利完成，不僅促進(jìn)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(xué)生CMOS相機(jī)：Inory之眼

2019年2月，龍江二號(hào)拍攝的“最美地月合影”在美國《科學(xué)》雜志、英國《獨(dú)立》報(bào)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(hào)上一個(gè)極不起眼兒的試驗(yàn)設(shè)備——微型CMOS相機(jī)。

你可能想象不到，這個(gè)微型相機(jī)的重量僅有20克，大小只有兩個(gè)一元硬幣那么大。更難能可貴的是，這個(gè)相機(jī)是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)以本科生為主的學(xué)生團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(tuán)隊(duì)了。

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

在龍江衛(wèi)星極其嚴(yán)苛的尺寸和重量限制下，這個(gè)年輕的微型相機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)克服了重重困難，出色地完成了相機(jī)的設(shè)計(jì)、衛(wèi)星在軌時(shí)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(jī)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(gè)小相機(jī)，在龍江團(tuán)隊(duì)和助力龍江任務(wù)的無線電愛好者團(tuán)體內(nèi)部有個(gè)可愛的昵稱：Inory之眼。這是相機(jī)設(shè)計(jì)師蒙古族小伙子泰米爾喜歡的動(dòng)漫歌手“祈Inory”的名字。這個(gè)名字也被刻在了CMOS相機(jī)的電路板上，隨著龍江二號(hào)一起環(huán)游月球，一路見證著龍江二號(hào)的艱辛和喜悅。

最美地月合影（圖片來源：《科學(xué)》雜志）

微型CMOS相機(jī)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(jī)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(dāng)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(huì)看到怎樣的場景呢？彼時(shí)正在繞月飛行的龍江二號(hào)為我們提供了一種“上帝視角”。如何做好規(guī)劃讓龍江二號(hào)的CMOS相機(jī)找到合適的機(jī)位和時(shí)機(jī)，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(hào)團(tuán)隊(duì)和眾多業(yè)余無線電愛好者摩拳擦掌，激動(dòng)不已。

日食第三次成像（圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

在日全食發(fā)生的兩個(gè)多小時(shí)里，月球遮擋住太陽，龍江二號(hào)剛好會(huì)經(jīng)過月球背面，可以找到滿足對地拍攝的條件和時(shí)機(jī)。7月3日凌晨，龍江二號(hào)完美地執(zhí)行了拍攝任務(wù)，用微型CMOS 相機(jī)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(dòng)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(shí)已是2019年7月初，已經(jīng)完成既定使命的龍江二號(hào)將在月底結(jié)束任務(wù)。為了避免衛(wèi)星失去動(dòng)力后產(chǎn)生太空垃圾，龍江二號(hào)選擇在尚有燃料的情況下主動(dòng)撞月墜毀。

龍江二號(hào)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(xué)）

受控墜毀：月宮長眠

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

直到撞月前幾個(gè)小時(shí)，各地愛好者們依然沒有停止接收龍江二號(hào)的數(shù)據(jù)。不過，因?yàn)辇埥?hào)與鵲橋號(hào)通信中繼衛(wèi)星之間沒有數(shù)據(jù)接口，所以龍江二號(hào)運(yùn)行到月球背面時(shí)已沒有信號(hào)傳回。

我們無法看到龍江二號(hào)撞月的實(shí)況直播，也無法立刻知道最終的精確撞月點(diǎn)，只能等待這一時(shí)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(shí)拍攝撞擊后的月面，才可能知道龍江二號(hào)的最終歸處。

幸運(yùn)的是，月球勘測軌道飛行器在兩個(gè)多月后順利拍攝到了預(yù)定撞月區(qū)域一帶的月面照片。隨后，LROC項(xiàng)目組從中找到了龍江二號(hào)的撞月點(diǎn)。龍江二號(hào)在月球背面留下了一個(gè)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(hào)！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！