探测月球背面的中国方案

文/钱航

▲ 嫦娥四号任务示意图

5月21日凌晨，中国成功发射了嫦娥四号月球探测器的中继卫星“鹊桥”。随后，中继星“鹊桥”飞行到月球背面上空的地月引力平衡点L2点，并在那里稳定运行，为下半年发射并在月球背面着陆的嫦娥四号探测器提供通畅的地月中继通信支持。

那么，为什么发射嫦娥四号之前要先架设“鹊桥”？对于月球背面探测这一世界难题，中国给出了怎样的解决方案？

▲ 嫦娥四号中继星运行模拟图

▲ 拉格朗日点

看月球的另外“半张脸”何其不易

在中国乃至全世界，有这样一个耳熟能详的故事：牛郎和织女被银河隔开，只允许每年的农历七月七日相见。为了让牛郎和织女相会，各地的喜鹊飞到一起用身体紧紧相连搭成一座“鹊桥”供牛郎和织女相会。我国发射的这颗以“鹊桥”命名的月球中继卫星，承载着这一美好寓意，发挥着同样的作用。

说到月球，人类自古对它都充满好奇，随着科技水平的不断进步，科学家们从远距离观测月球，到近距离接近月球，再到成功登月，对于这一星球的了解也是逐渐深入。然而直至今天，这颗星球的许多秘密，尤其是其背面，仍然还有很多未解之谜。

月球背面之所以神秘，是由于潮汐锁定（或同步自转、受俘自转）的缘故，人类是无法从地球上直接观测到月球背面的。潮汐锁定即天体永远以同一面对着另一个天体，也就是说月球永远以同一面朝着地球。

潮汐锁定的天体围绕自身轴旋转一圈要花上围绕其“同伴”公转一圈相等的时间。这种同步自转导致了一个半球只能固定不变地朝着自己的“伙伴”。月球的自转和公转周期均为大约4星期左右，因此无论何时从地球观察月球都能看见其同一个“半张脸”。直到1959年，从苏联的“月球3号”传送回来的照片中，人们才完整地看见了月球背面。

嫦娥四号月球探测器是嫦娥三号的备份星，将登陆月球背面南极附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐锁定，所以在月球背面登陆的嫦娥四号与地球上的测控中心不仅相隔遥远的地月距离，而且还要隔着月球球体进行通信联系。

众所周知，通信信号是无法穿透月球直接抵达其背面的，这就需要中继卫星的帮助来实现数据传输，完成地面测控任务。这就是“嫦娥”此次发射奔月之前先发射“鹊桥”卫星的原因。

撩开月背神秘面纱的中国方案

上文已经提到，人类第一次直接看到月球背面是在1959年10月4日，苏联的月球3号探测器发射升空，开始飞往月球。此次，它前往月球的主要任务是揭开月球背面的神秘面纱。

▲ 阿波罗8号拍摄的地球升起

▲ 人类首张月球背面的“靓照”

为了完成该任务，科研人员对发射时间和飞行轨道做了精心安排，没有直接让探测器快速飞向月球，而是在经过较长时间的飞行之后，缓慢地绕到月球背面，在距离月球大约7公里处掠过。当它绕过月球背面时，在地球上看到的是“新月”，太阳恰好在“月球3号”背面，照亮了远离地球一侧的月面，使得“月球3号”拍摄了人类不曾看到的月球背面图片。

在通过月球背面的40分钟之内，两个光学相机拍摄了29张照片，其中17张照片在飞行途中完成自动冲印，然后转换成电视信号，再通过无线通讯装置传送回地面。虽然最后得到的照片分辨率很低，而且只覆盖了月球背面70%的区域，却记录了人类对月球背面的第一次观察，展现了人类以前从未看到过的景象。

1968年12月24日，美国“阿波罗8号”任务实施了登月之前最重要的一次绕月飞行，也是人类历史上第一次载人飞出近地轨道，抵达月球周围的轨道上，绕月轨道距离月球表面大约100～300公里，航天员弗兰克·博尔曼等人拍摄到了航天史上最著名的照片——从月球轨道上看地球“升起”。这是人类首度亲眼看到月球背面。由于月球背面布满了大量巨大的陨石坑，在当时的技术条件下，根本无法在月球背面着陆。更危险的是，如果航天器的月球背面着陆的话会和地球的无线电通信中断，从而失去和地球的联系。

2004年，我国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。目前，已经发射了嫦娥一号、二号和三号。嫦娥一号完成了我国探测器首次奔月，嫦娥二号是嫦娥一号的备份星，同属探月一期工程。嫦娥三号任务是我国探月工程“绕、落、回”三步走中的第二步，也是承前启后的关键一步，它实现了我国航天器首次在地外天体软着陆。

嫦娥四号是嫦娥三号的备份星，实现人类探测器在月球背面首次软着陆，开展原位和巡视探测，以及地月L2点中继通信。2019年发射嫦娥五号探测器，实现区域软着陆及采样返回。

其实在嫦娥三号出色完成预定任务后，科学家们在“嫦娥四号究竟做什么”这个问题上意见不一致，为此争论了两年之久，分歧的核心是嫦娥四号是落在月球正面还是背面。

多数专家认为嫦娥四号落到月球背面，虽然技术风险激增，却意义重大，因而最终选定了落在月球背面的方案。为了解决在月球背面与地球直接通信的问题，科研人员提出了相应的解决方案——把中继卫星发射到月球背面上空的地月引力平衡点L2点。

对于这一整套月球背面着陆通信方案，中国科学家们都非常有信心，因为每一项技术都在之前的试验飞行中得到了验证。相信在后续任务中，嫦娥四号通过鹊桥中继星会给人类传递更多关于月球和宇宙的真相。