Kinas Chang'e-4-sond markerade den första mjuklandningen av en rymdfarkost på månens bortre sida, som alltid är vänd bort från jorden. För att kommunicera med markstationer, Chang'e-4 förlitar sig på Queqiao, en reläkommunikationssatellit som kretsar runt en punkt bakom månen och överbryggar jorden och Chang'e-4. I en ny recension, forskare förklarar designen av Queqiao och skildrar framtiden för månreläkommunikationssystem.

På grund av ett fenomen som kallas gravitationslåsning, Månen är alltid vänd mot jorden från samma sida. Detta visade sig vara användbart i de tidiga månlandningsuppdragen på 1900-talet, eftersom det alltid fanns en direkt siktlinje för oavbruten radiokommunikation mellan jordens markstationer och utrustning på månen. Dock, gravitationslåsning gör det mycket mer utmanande att utforska månens dolda ansikte – den bortre sidan. eftersom signaler inte kan skickas direkt över månen mot jorden.

Fortfarande, i januari 2019, Kinas månsond Chang'e-4 markerade första gången en rymdfarkost landade på månens bortre sida. Både landaren och månrovern den bar har samlat in och skickat tillbaka bilder och data från tidigare outforskade områden. Men hur kommunicerar Chang'e-4-sonden med jorden? Svaret är Queqiao, en reläkommunikationssatellit, förklarar Dr. Lihua Zhang från DFH Satellite Co., Ltd., Kina.

Som förklarats av Dr Zhang i en granskning som nyligen publicerades i Rymd:Vetenskap och teknik , Queqiao är en oöverträffad satellit designad specifikt för ett syfte:Att fungera som en bro mellan Chang'e-4-sonden och jorden. Queqiao lanserades 2018 och sattes i omloppsbana runt en punkt "bakom" månen. Denna punkt är känd som Earth-Moon Libration Point 2, där ett specialfall av gravitationsbalans tillåter Queqiao att upprätthålla en bana så att den har nästan konstant direkt siktlinje med både månens och jordens bortre sida. Att få in satelliten i denna speciella omloppsbana krävde noggrann planering och underhållshantering, och framgången med denna operation satte ett prejudikat för framtida försök att sätta satelliter i omloppsbana runt andra jord-måne-librationspunkter.

Från sin stabila plats i rymden, Queqiao hjälpte till att styra mjuklandningen och ytoperationerna för Chang'e-4-sonden och har varit vår mellanhand med den sedan dess. Satelliten är utrustad med två olika typer av antenner:En parabolantenn och flera spiralantenner. Den tidigare, som har en stor diameter på 4,2 m, designades för att skicka och ta emot signaler på X-bandet (7-8GHz) till och från rover och lander på månens yta. Dess stora storlek är relaterad till de förväntade ljudnivåerna och den låga intensiteten hos överföringarna som sänds av ytutrustning.

Å andra sidan, spiralantennerna arbetar på S-bandet (2-4 GHz) och kommunicerar med jordstationer, vidarebefordra kommandon till månens ytutrustning och utbyta telemetri och spårningsdata. Mest anmärkningsvärt, alla dessa olika länkar kan sända och ta emot samtidigt, gör Queqiao mycket mångsidig. Granskningsdokumentet tar upp andra viktiga designöverväganden för Queqiao och framtida reläsatelliter, såsom användning av regenerativ vidarebefordran, de olika länkdatahastigheterna som är involverade, och datalagringssystem för när ingen jordstation är tillgänglig.

Över två års utforskning, en stor mängd data har mottagits från rover och lander genom Queqiao. "Forskare i både Kina och andra länder har genomfört analyser och forskning baserat på de hämtade uppgifterna, och de har producerat värdefulla vetenskapliga resultat. Ju längre operativ livslängd för Queqiao, desto fler vetenskapliga resultat kommer att uppnås, " anmärker Dr Zhang. Baserat på nuvarande förutsägelser, Queqiao bör kunna användas på uppdragsbana i minst fem år.

Dr. Zhang tog också upp utsikterna för framtida månuppdrag och hur reläkommunikationssystem bör utvecklas för att stödja dem. Många outforskade områden på månen, som den största kratern på Sydpolen, kräver flera reläsatelliter för att upprätthålla konstanta kommunikationslänkar, vilket innebär en dyr och tidskrävande utmaning. Men vad händer om reläsatelliter var lämpliga för mer än ett enda uppdrag? "En hållbar kommunikations- och navigeringsinfrastruktur bör upprättas för att gynna alla månuppdrag snarare än att hantera varje uppdrag oberoende, " kommenterar Dr. Zhang. "Denna infrastruktur bör anta en öppen och utbyggbar arkitektur och ge flexibel, interoperabel, korsstödbar, och kompatibla kommunikationstjänster, som är avgörande för framgången för framtida månutforskningar." Det är troligt att framtida ansträngningar på månens bortre sida kommer att bli ett test på hur väl vi kan samarbeta för att avslöja hemligheterna med vår naturliga satellit.