飛向月球的別樣“鵲橋”

◎文 中國科學院國家空間科學中心 錢航

編者按：

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”。隨后的幾天里，中繼衛星“鵲橋”將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。

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，中國又有怎樣的計劃？

兩座“鵲橋”

在中國有一個人們從小就耳熟能詳的故事：相傳牛郎和織女被銀河隔開，只允許每年的農歷七月初七相見。為了讓牛郎和織女相會，各地的喜鵲就會飛過來用身體互相緊貼著搭成一座橋，此橋就叫鵲橋。牛郎和織女便在這座鵲橋上相會。而在5月21號，中國發射的這顆以“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。

月背難探

月球是地球的衛星，同時也是距離地球最近的地外天體。人類自古以來都對月亮充滿好奇，隨著科技水平的進步，科學家們從遠距離觀測月球，到近距離接近月球，最后到成功登月，開始更深入地了解這一星球。然而直至今日，這顆星球的許多秘密，尤其是月球背面，仍然未能解開。

月球背面之所以顯得神秘，原因在于我們無法從地球上直接觀測到月球背面。這種現象被稱為潮汐鎖定（或同步自轉、受俘自轉），即重力梯度使天體永遠以同一面對著另一個天體，月球永遠以同一面朝向著地球。潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉一圈要花上繞著同伴公轉一圈相同的時間，這種同步自轉導致一個半球固定不變地朝向伙伴。月球的自轉和公轉周期大約都是4周，因此無論何時從地球觀察月球，都只能看見同一面的半球。直到1959年，從蘇聯的無人月球探測器“月球3號”傳送回來的照片，人們才完整地看見月球背面。

“鵲橋”使命

“嫦娥四號”月球探測器是“嫦娥三號”的備份星，計劃將登陸月球背對地球一面的南極附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐鎖定，它只能永遠以同一面朝向地球，這就意味著，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。但通信信號無法穿透月球抵達其背面，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。這是“嫦娥”此次發射奔月之前先發射“鵲橋”衛星的原因。

月背真容

如果追溯人類第一次直接看到月球背面，那還是在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。那次，它前往月球的主要任務是揭開月球背面的神秘面紗。

為了完成既定任務，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，而是讓其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7000米處經過。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”拍攝到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張照片是在飛行途中完成自動沖印，然后通過電視掃面轉換成電視信號，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，但是卻記錄了人類對月球背面的第一次觀察，向人類展現了從未看到過的景象。

1968年12月24日，阿波羅登月計劃執行前夕，美國國家航空航天局已經完成了對月球的無人探測和載人空間飛行。此時“阿波羅8號”任務即將實施，這個任務并不是登月，而是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。此次繞月軌道距離月球表面100～300千米，宇航員為弗蘭克·博爾曼、詹姆斯·洛弗爾和威廉姆斯·安德斯，他們還拍攝到航天史上最著名的照片：從月球軌道上看地球“升起”。這是人類首次親眼看到月球背面。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，如果航天器在月球背面著陸，就會和地球的無線電通信中斷，失去和地球的聯系。

“嫦娥”探月

2004年，中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，但完成了更多科學任務。“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，實現了我國航天器首次在地外天體軟著陸。

2018年5月發射“嫦娥四號”中繼衛星，年底發射“嫦娥四號”探測器。“嫦娥四號”是“嫦娥三號”的備份星，將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點中繼通信等目標。2019年發射“嫦娥五號”探測器，將實現區域軟著陸及采樣返回等目標。未來，我國還將發射“嫦娥五號”的備份星—“嫦娥六號”月球探測器，實現月球極區采樣。

在完成中國探月工程繞月、落月、返回三期任務后，中國將繼續探月四期任務，包括月球背面著陸巡視、月面二次采樣返回、月球南極著陸探測、月球北極著陸。

為了解決在背面與地球直接通信的問題，中國科學家提出了解決方案—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”中繼衛星會給人類傳遞更多關于月球的真相！