少年可期

徐蒙

2019年11月14日， 经过三个多月的漫长等待，美国国家航空航天局（以下简称NASA）的月球勘测轨道飞行器（LRO）终于宣布在月球背面北纬16.6956°、东经159.5170°位置找到了我国嫦娥四号任务搭载的微卫星——龙江二号的撞月点，为龙江二号探月任务画上了一个圆满的句号。

龙江二号这颗设计寿命为1年、质量为47千克（其中15千克是燃料）、主体只有两个家用微波炉大小的微卫星，从2018年5月21日发射至2019年7月31日受控撞月的这一年多时间里，独立完成了地月转移、近月制动和环月飞行，在轨运行整整437天，成功开展了一系列射电天文观测和对月、对地观测任务。不仅如此，这颗“打包顺带”、差点儿半路夭折的小不点儿，还在其短暂的一生中为我们带来了很多奇景和惊喜。

搭载着鹊桥号的长征四号丙运载火箭发射升空（图片来源：新华网）

出师不利，死里逃生

2018年5月21日，嫦娥四号任务的通信中继卫星鹊桥号在西昌卫星发射中心由长征四号丙运载火箭发射升空。

由于这发火箭尚有余力，于是顺路捎带着一同发射了两颗由哈尔滨工业大学牵头研制的孪生微卫星——龙江一号和龙江二号。

这两颗微卫星最初的功能定位是在环月轨道上进行射电天文观测，因此它们又被称为“月球轨道超长波天文观测微卫星”。

按照原计划，龙江一号和龙江二号将在发射后不久与火箭分离，各自独立进入地月转移轨道，之后再独立完成中途的轨道修正和近月制动，进入环月椭圆轨道。待到顺利入轨之后，两颗卫星将一前一后编队飞行，以相距1千米～10千米的可变距离进行超长波天文干涉测量等试验。然而，现实给出了意外的安排。

龙江一号和龙江二号一前一后编队飞行的示意图（图片来源：NSSC）

2018年5月21日，龙江一号和龙江二号先后与火箭分离，开始独立飞行。5月22日凌晨，龙江团队对龙江一号进行第一次中途修正。然而，在按计划使用5N推力器之后，虽然点火过程中卫星状态正常，但点火结束后，龙江一号就与地面站失联了！地面站工作人员立刻采取措施，尝试了盲发指令、使用大口径天线等多种手段，还是没能找到它。更可怕的是，由于信号丢失，地面站完全不知道龙江一号到底哪里出了故障。这样一来，地面站工作人员就不敢轻易对龙江二号再进行点火修正，毕竟它俩是“孪生兄弟”呀！但不点火也不行，如果不适时进行中途轨道修正，龙江二号就会错失进入环月轨道的时机！

在这样一个刻不容缓又进退两难的时刻，哈尔滨工业大学团队和北京航天飞行控制中心的工作人员当机立断，在短时间内完善了故障预案，决定推迟一天对龙江二号进行中途修正。

科学家们从龙江一号传回的残存数据中判断，在点火修正后它的角速度（表示物体绕圆心运动的快慢）似乎上升了。仅仅通过这一点点线索，龙江团队决定双管齐下：一方面换用推力较小的0.2N推力器，在点火结束后关闭自锁阀，让龙江二号的速度不至于一下子变化太快;另一方面换用较大口径的深空站天线进行跟踪，减少失联的可能性。

5月23日，龙江团队对龙江二号进行第一次中途修正。由于这次信号没有丢失，故障原因终于找到了。通过龙江二号的验证，科学家们判断是推力器的控制逻辑错误致使龙江一号开始极快速旋转且无法进行自主减速。事实上，即使龙江二号使用了小推力的推力器且及时关闭了推力阀，它的角速度也已经迅速超过了400度/秒。由此推断，龙江一号很可能在当时的快速旋转中直接解体了。即便没有直接解体，由于那时候的卫星已经无法维持姿态，太阳能板不能对准太阳，也必然会在几个小时内耗尽能源。

原因找到了，事情就解决了一半。龙江团队当即对龙江二号展开抢救，反復发送陀螺仪开机指令，在陀螺仪自动关机前将数据下传至地面，利用陀螺度数判断卫星自旋方向，手动控制推力器进行减速，三个小时内发送指令五百余条，终于将卫星角速度降低至400度/ 秒以下，卫星随即自主减速，恢复正常姿态。总之，在第一次轨道修正后，龙江二号死里逃生。

5月24日，龙江二号顺利完成了第二次中途修正。5月25日，它又顺利完成了近月制动，成功进入环月轨道。

龙江二号微卫星实物（图片来源：哈尔滨工业大学）

射电天文观测：单枪匹马探宇宙

龙江任务一共携带了两种科学载荷，其中最主要的就是低频射电探测仪。这种科学仪器在两颗龙江卫星上均有搭载，由中科院空间中心研制和收发指令信号。熟悉嫦娥四号的朋友应该对这种仪器并不陌生。

由于电离层的阻挡，波长10米以上的电磁波几乎无法穿透大气来到地球表面。所以，如果想要对波长更长的低频电磁波进行观测，就必须离开地球大气层，而月球附近就是一个极佳的观测场所。

不仅是龙江一号和龙江二号，嫦娥四号着陆器和鹊桥号通信中继卫星上也都搭载了低频射电探测仪。三种航天器的观测频段虽然略有差异，但都能填补地基射电天文观测的空白。然而，龙江一号的失联，意味着原本计划的双星射电干涉测量已无法完成，但单星低频射电探测依然可以进行。来都来了，当然要尽力而为！

同样是在月球附近，月球正面和背面轨道上观测到的低频射电信号却有很大差别：在月球的遮挡下，月球背面可以更好地屏蔽来自地球的射电干扰。在环绕月球的过程中，龙江二号会反复飞过月球的正面和背面——也就可以完美验证和观测月球对低频射电信号的遮挡效果。

龙江二号环绕月球飞行示意图（图片来源：哈尔滨工业大学）

2018年5月26日，龙江二号上的低频射电探测仪首次开机，此后共接收了329分钟的观测数据，证实了月球对地球射电干扰的遮挡效果非常明显。不仅如此，龙江二号还测量了月球正面轨道上1MHz～30MHz 频段的连续谱，完成了地球射电干扰普查。

沙特相机：中国与中东合作的里程碑

虽然龙江一号和龙江二号是“孪生兄弟”，但这次龙江号任务携带的另一种科学载荷——由沙特阿拉伯研制的月球小型光学成像探测仪（微型光学相机），幸运地搭载在大难不死的龙江二号上。

2018年5月28日，入轨三天后，微型光学相机首次开机。此后，该相机于龙江二号在轨期间，累计完成30次拍摄，成功拍摄了包含波斯湾、红海、地中海、阿拉伯半岛等区域的地月合影，以及多幅月球部分区域的科学探测影像。

作为嫦娥四号任务的国际合作载荷之一，龙江二号的成功在中东地区产生了强烈的反响，成为我国与中东国家在航天领域合作的又一标志性成果，也由此拉开了中沙航天深度合作的序幕。

微型光学相机在龙江二号上的位置（图片来源：哈尔滨工业大学）

业余无线电通信：全世界无线电爱好者们的共同努力

龙江卫星共有三个通信频段——S频段、X频段和VHF/UHF频段，其中S频段用于测控，X频段用于科学载荷的数据传输，两者均由中国深空网台站负责。这样的国家级机构有着18 米～65米口径的强大天线，但可以分配给龙江任务的资源有限，所需的高耗能也给龙江这样的小卫星造成一定的压力。因此，龙江卫星还携带了由哈尔滨工业大学紫丁香学生微纳卫星团队研制的甚高频/超高频（简称VHF/UHF）通信模块，其中VHF频段用于上行（上传指令），UHF 频段用于下行（接收卫星状态和载荷数据）。

在龙江卫星发射之前，紫丁香学生微纳卫星团队、哈尔滨工业大学业余无线电俱乐部的二十余名学生通过新建、改造、借用等方式，在哈尔滨、北京、哈密、广州、德文格洛（荷兰）、和歌山（日本）等地设立了6个VHF/UHF 地面站，并开发了开源的调制解调软件和网络传输软件，搭建了数据解析服务器。

在整个龙江卫星任务期间，众多业余无线电组织、爱好者团体和个人都为龙江二号的通信贡献了自己的力量。一些无线电爱好者甚至仅仅通过自家门前或屋顶的“简陋”接收设备，就投身于龙江任务的协作之中。

从两颗龙江卫星与火箭分离，到龙江二号任务结束，来自巴西、智利、美国、波蘭等十余个国家的共50 个地面站成功实现了龙江卫星UHF频段的信号和数据接收。

除了接收数据，多个地面站还通过龙江二号的UHF频段开展了诸多业余无线电试验。2018年6月10日，德文格洛25 米天线和北京12米天线协作完成了国际首次月球轨道UHF频段甚长基线干涉测量的定轨试验。2019年7月1日，在下载日全食测试影像的间隙，哈尔滨工业大学集体业余电台与德国业余无线电爱好者Reinhard Kuehn通过龙江二号卫星的转发通信功能，实现了中国与德国的双向通信。此时，卫星到通信双方的距离约为360000千米。这是国际首次月球轨道卫星的业余双向通信。

龙江任务的VHF/UHF通信模块是一次低成本、低能耗的深空卫星通信尝试，通过借力世界各地的业余无线电爱好者和地面站，完成了龙江任务VHF/UHF频段的信号收发。这是国际首次在月球轨道进行的业余无线电通信试验。从这个角度来说，龙江任务的顺利完成，不仅促进了民间的国际交流，也是全球无线电爱好者们的共同胜利。

学生CMOS相机：Inory之眼

2019年2月，龙江二号拍摄的“最美地月合影”在美国《科学》杂志、英国《独立》报上刊发，引起了全世界的广泛关注。而拍摄到这一奇景的，只是龙江二号上一个极不起眼儿的试验设备——微型CMOS相机。

你可能想象不到，这个微型相机的重量仅有20克，大小只有两个一元硬币那么大。更难能可贵的是，这个相机是由哈尔滨工业大学以本科生为主的学生团队负责研制的，研发人员平均年龄不足24岁，可以称得上是中国最年轻的航天团队了。

世界各地的地面站天线助力龙江卫星完成通信任务（图片来源：哈尔滨工业大学）

在龙江卫星极其严苛的尺寸和重量限制下，这个年轻的微型相机研发团队克服了重重困难，出色地完成了相机的设计、卫星在轨时的拍摄、照片的传输和后期处理工作。

除了这张“最美地月合影”，微型CMOS相机还拍摄过其他角度的地月合影、火星与摩羯座天区、月面云海等诸多美丽的照片。这个小相机，在龙江团队和助力龙江任务的无线电爱好者团体内部有个可爱的昵称：Inory之眼。这是相机设计师蒙古族小伙子泰米尔喜欢的动漫歌手“祈Inory”的名字。这个名字也被刻在了CMOS相机的电路板上，随着龙江二号一起环游月球，一路见证着龙江二号的艰辛和喜悦。

最美地月合影（图片来源：《科学》杂志）

微型CMOS相机的数据是由全世界无线电爱好者们协同接收的，相机拍摄的每张照片都被分割成一小包一小包的数据，由多位爱好者接收之后再拼接起来。所以说，是全世界无线电爱好者们共同“拼”出了包括“最美地月合影”在内的诸多美图。

从月球上看日全食

2019年7月3日，当年唯一一次日全食在南美洲的上空上演。在这次日全食发生期间，地球上的我们能在一些地方看到月球完全遮挡住太阳的景象。

那如果在月球附近观测日全食，又会看到怎样的场景呢？彼时正在绕月飞行的龙江二号为我们提供了一种“上帝视角”。如何做好规划让龙江二号的CMOS相机找到合适的机位和时机，用自己有限的性能记录下这次千载难逢的奇观呢？

这场来自宇宙的挑战让年轻的龙江二号团队和众多业余无线电爱好者摩拳擦掌，激动不已。

日食第三次成像（图片来源：哈尔滨工业大学）

在日全食发生的两个多小时里，月球遮挡住太阳，龙江二号刚好会经过月球背面，可以找到满足对地拍摄的条件和时机。7月3日凌晨，龙江二号完美地执行了拍摄任务，用微型CMOS 相机从月球轨道上拍摄下日全食期间月球投射在地球上的影子。最终，照片的接收和下载由遍布世界各地的地面站合作完成。这次协同大作战的成功，让所有参与行动规划和数据接收的朋友获得了极大的喜悦和满足。

令人遗憾的是，此时已是2019年7月初，已经完成既定使命的龙江二号将在月底结束任务。为了避免卫星失去动力后产生太空垃圾，龙江二号选择在尚有燃料的情况下主动撞月坠毁。

龍江二号受控撞月前传回的最后一张完整照片（图片来源：哈尔滨工业大学）

受控坠毁：月宫长眠

2019年7月31日，已经完成所有任务的龙江二号按照既定计划在月球背面撞毁。

直到撞月前几个小时，各地爱好者们依然没有停止接收龙江二号的数据。不过，因为龙江二号与鹊桥号通信中继卫星之间没有数据接口，所以龙江二号运行到月球背面时已没有信号传回。

我们无法看到龙江二号撞月的实况直播，也无法立刻知道最终的精确撞月点，只能等待这一时期唯一一颗在轨环月卫星——NASA的月球勘测轨道飞行器（LRO）过境时拍摄撞击后的月面，才可能知道龙江二号的最终归处。

幸运的是，月球勘测轨道飞行器在两个多月后顺利拍摄到了预定撞月区域一带的月面照片。随后，LROC项目组从中找到了龙江二号的撞月点。龙江二号在月球背面留下了一个4 米×5米的人造撞击坑，就这样，它和众多探月前辈一起永久地沉睡于月球上。

再见了，龙江二号！你的成功既是年轻一代航天人的胜利，也是全球无线电爱好者们的胜利！谢谢你，让我们相信小小的身躯也能创造大大的奇迹！