探測月球背面的中國方案

文/錢航

▲ 嫦娥四號任務示意圖

5月21日凌晨，中國成功發射了嫦娥四號月球探測器的中繼衛星“鵲橋”。隨后，中繼星“鵲橋”飛行到月球背面上空的地月引力平衡點L2點，并在那里穩定運行，為下半年發射并在月球背面著陸的嫦娥四號探測器提供通暢的地月中繼通信支持。

那么，為什么發射嫦娥四號之前要先架設“鵲橋”？對于月球背面探測這一世界難題，中國給出了怎樣的解決方案？

▲ 嫦娥四號中繼星運行模擬圖

▲ 拉格朗日點

看月球的另外“半張臉”何其不易

在中國乃至全世界，有這樣一個耳熟能詳的故事：牛郎和織女被銀河隔開，只允許每年的農歷七月七日相見。為了讓牛郎和織女相會，各地的喜鵲飛到一起用身體緊緊相連搭成一座“鵲橋”供牛郎和織女相會。我國發射的這顆以“鵲橋”命名的月球中繼衛星，承載著這一美好寓意，發揮著同樣的作用。

說到月球，人類自古對它都充滿好奇，隨著科技水平的不斷進步，科學家們從遠距離觀測月球，到近距離接近月球，再到成功登月，對于這一星球的了解也是逐漸深入。然而直至今天，這顆星球的許多秘密，尤其是其背面，仍然還有很多未解之謎。

月球背面之所以神秘，是由于潮汐鎖定（或同步自轉、受俘自轉）的緣故，人類是無法從地球上直接觀測到月球背面的。潮汐鎖定即天體永遠以同一面對著另一個天體，也就是說月球永遠以同一面朝著地球。

潮汐鎖定的天體圍繞自身軸旋轉一圈要花上圍繞其“同伴”公轉一圈相等的時間。這種同步自轉導致了一個半球只能固定不變地朝著自己的“伙伴”。月球的自轉和公轉周期均為大約4星期左右，因此無論何時從地球觀察月球都能看見其同一個“半張臉”。直到1959年，從蘇聯的“月球3號”傳送回來的照片中，人們才完整地看見了月球背面。

嫦娥四號月球探測器是嫦娥三號的備份星，將登陸月球背面南極附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐鎖定，所以在月球背面登陸的嫦娥四號與地球上的測控中心不僅相隔遙遠的地月距離，而且還要隔著月球球體進行通信聯系。

眾所周知，通信信號是無法穿透月球直接抵達其背面的，這就需要中繼衛星的幫助來實現數據傳輸，完成地面測控任務。這就是“嫦娥”此次發射奔月之前先發射“鵲橋”衛星的原因。

撩開月背神秘面紗的中國方案

上文已經提到，人類第一次直接看到月球背面是在1959年10月4日，蘇聯的月球3號探測器發射升空，開始飛往月球。此次，它前往月球的主要任務是揭開月球背面的神秘面紗。

▲ 阿波羅8號拍攝的地球升起

▲ 人類首張月球背面的“靚照”

為了完成該任務，科研人員對發射時間和飛行軌道做了精心安排，沒有直接讓探測器快速飛向月球，而是在經過較長時間的飛行之后，緩慢地繞到月球背面，在距離月球大約7公里處掠過。當它繞過月球背面時，在地球上看到的是“新月”，太陽恰好在“月球3號”背面，照亮了遠離地球一側的月面，使得“月球3號”拍攝了人類不曾看到的月球背面圖片。

在通過月球背面的40分鐘之內，兩個光學相機拍攝了29張照片，其中17張照片在飛行途中完成自動沖印，然后轉換成電視信號，再通過無線通訊裝置傳送回地面。雖然最后得到的照片分辨率很低，而且只覆蓋了月球背面70%的區域，卻記錄了人類對月球背面的第一次觀察，展現了人類以前從未看到過的景象。

1968年12月24日，美國“阿波羅8號”任務實施了登月之前最重要的一次繞月飛行，也是人類歷史上第一次載人飛出近地軌道，抵達月球周圍的軌道上，繞月軌道距離月球表面大約100～300公里，航天員弗蘭克·博爾曼等人拍攝到了航天史上最著名的照片——從月球軌道上看地球“升起”。這是人類首度親眼看到月球背面。由于月球背面布滿了大量巨大的隕石坑，在當時的技術條件下，根本無法在月球背面著陸。更危險的是，如果航天器的月球背面著陸的話會和地球的無線電通信中斷，從而失去和地球的聯系。

2004年，我國正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。目前，已經發射了嫦娥一號、二號和三號。嫦娥一號完成了我國探測器首次奔月，嫦娥二號是嫦娥一號的備份星，同屬探月一期工程。嫦娥三號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，也是承前啟后的關鍵一步，它實現了我國航天器首次在地外天體軟著陸。

嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，實現人類探測器在月球背面首次軟著陸，開展原位和巡視探測，以及地月L2點中繼通信。2019年發射嫦娥五號探測器，實現區域軟著陸及采樣返回。

其實在嫦娥三號出色完成預定任務后，科學家們在“嫦娥四號究竟做什么”這個問題上意見不一致，為此爭論了兩年之久，分歧的核心是嫦娥四號是落在月球正面還是背面。

多數專家認為嫦娥四號落到月球背面，雖然技術風險激增，卻意義重大，因而最終選定了落在月球背面的方案。為了解決在月球背面與地球直接通信的問題，科研人員提出了相應的解決方案——把中繼衛星發射到月球背面上空的地月引力平衡點L2點。

對于這一整套月球背面著陸通信方案，中國科學家們都非常有信心，因為每一項技術都在之前的試驗飛行中得到了驗證。相信在后續任務中，嫦娥四號通過鵲橋中繼星會給人類傳遞更多關于月球和宇宙的真相。