飞向月球的别样“鹊桥”

◎文 中国科学院国家空间科学中心 钱航

编者按：

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”。随后的几天里，中继卫星“鹊桥”将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。

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，中国又有怎样的计划？

两座“鹊桥”

在中国有一个人们从小就耳熟能详的故事：相传牛郎和织女被银河隔开，只允许每年的农历七月初七相见。为了让牛郎和织女相会，各地的喜鹊就会飞过来用身体互相紧贴着搭成一座桥，此桥就叫鹊桥。牛郎和织女便在这座鹊桥上相会。而在5月21号，中国发射的这颗以“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。

月背难探

月球是地球的卫星，同时也是距离地球最近的地外天体。人类自古以来都对月亮充满好奇，随着科技水平的进步，科学家们从远距离观测月球，到近距离接近月球，最后到成功登月，开始更深入地了解这一星球。然而直至今日，这颗星球的许多秘密，尤其是月球背面，仍然未能解开。

月球背面之所以显得神秘，原因在于我们无法从地球上直接观测到月球背面。这种现象被称为潮汐锁定（或同步自转、受俘自转），即重力梯度使天体永远以同一面对着另一个天体，月球永远以同一面朝向着地球。潮汐锁定的天体绕自身的轴旋转一圈要花上绕着同伴公转一圈相同的时间，这种同步自转导致一个半球固定不变地朝向伙伴。月球的自转和公转周期大约都是4周，因此无论何时从地球观察月球，都只能看见同一面的半球。直到1959年，从苏联的无人月球探测器“月球3号”传送回来的照片，人们才完整地看见月球背面。

“鹊桥”使命

“嫦娥四号”月球探测器是“嫦娥三号”的备份星，计划将登陆月球背对地球一面的南极附近的艾特肯盆地。由于月球被地球潮汐锁定，它只能永远以同一面朝向地球，这就意味着，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。但通信信号无法穿透月球抵达其背面，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。这是“嫦娥”此次发射奔月之前先发射“鹊桥”卫星的原因。

月背真容

如果追溯人类第一次直接看到月球背面，那还是在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。那次，它前往月球的主要任务是揭开月球背面的神秘面纱。

为了完成既定任务，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，而是让其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7000米处经过。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”拍摄到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张照片是在飞行途中完成自动冲印，然后通过电视扫面转换成电视信号，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，但是却记录了人类对月球背面的第一次观察，向人类展现了从未看到过的景象。

1968年12月24日，阿波罗登月计划执行前夕，美国国家航空航天局已经完成了对月球的无人探测和载人空间飞行。此时“阿波罗8号”任务即将实施，这个任务并不是登月，而是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。此次绕月轨道距离月球表面100～300千米，宇航员为弗兰克·博尔曼、詹姆斯·洛弗尔和威廉姆斯·安德斯，他们还拍摄到航天史上最著名的照片：从月球轨道上看地球“升起”。这是人类首次亲眼看到月球背面。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，如果航天器在月球背面着陆，就会和地球的无线电通信中断，失去和地球的联系。

“嫦娥”探月

2004年，中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，但完成了更多科学任务。“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，实现了我国航天器首次在地外天体软着陆。

2018年5月发射“嫦娥四号”中继卫星，年底发射“嫦娥四号”探测器。“嫦娥四号”是“嫦娥三号”的备份星，将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点中继通信等目标。2019年发射“嫦娥五号”探测器，将实现区域软着陆及采样返回等目标。未来，我国还将发射“嫦娥五号”的备份星—“嫦娥六号”月球探测器，实现月球极区采样。

在完成中国探月工程绕月、落月、返回三期任务后，中国将继续探月四期任务，包括月球背面着陆巡视、月面二次采样返回、月球南极着陆探测、月球北极着陆。

为了解决在背面与地球直接通信的问题，中国科学家提出了解决方案—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”中继卫星会给人类传递更多关于月球的真相！