“嫦娥四號(hào)”為什么要去月球背面

2018年12月8日凌晨2時(shí)23分，嫦娥四號(hào)探測(cè)器由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空?！版隙鹚奶?hào)”的發(fā)射，是近年來(lái)我國(guó)航天乃至世界航天的一件大事，本文將和大家聊一聊與“嫦娥四號(hào)”任務(wù)相關(guān)的一些情況，就大家都關(guān)心的幾個(gè)核心的問(wèn)題進(jìn)行初步的解答。

問(wèn)題一：什么是“嫦娥工程”？

“嫦娥工程”，是中國(guó)探月工程的名稱。最早，我們國(guó)家在1994年的時(shí)候，就進(jìn)行了有關(guān)探月活動(dòng)必要性和可行性的相關(guān)研究。此后，經(jīng)過(guò)充分論證，中國(guó)科學(xué)院于2000年基本確定了我國(guó)開(kāi)展月球探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)。

隨后又是4年的等待，反復(fù)研究、論證，中國(guó)的探月工程終于在2004年得到正式立項(xiàng)，并被命名為“嫦娥工程”。這是我們國(guó)家第一個(gè)離開(kāi)地球軌道，飛向另一顆星球的工程。

在2006年2月由國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》中，第一次明確將“載人航天與探月工程”列入了國(guó)家16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。按照工程規(guī)劃，“嫦娥工程”分為“繞”“落”和“回”三步走?！崩@“就是發(fā)射圍繞月球的軌道器；“落”就是實(shí)現(xiàn)在月球表面的軟著陸；“回”就是要把一部分月球的巖石和土壤帶回地球做研究。

▲“玉兔號(hào)”拍攝的位于遠(yuǎn)處“月平線”上的嫦娥三號(hào)著陸器

這個(gè)計(jì)劃目前執(zhí)行得怎么樣了？很多人可能略有耳聞，但說(shuō)不清楚。實(shí)際上，我國(guó)已經(jīng)分別在2007年和2010年發(fā)射了“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”，這兩顆都是月球軌道器，實(shí)現(xiàn)了“繞”的第一步驟；2013年，“嫦娥三號(hào)”在虹灣降落成功，并釋放月球車，實(shí)現(xiàn)我們第二步的“落”。

未來(lái)，我國(guó)將通過(guò)“嫦娥五號(hào)”進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“回”，即月面無(wú)人取樣返回的目標(biāo)。而實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)難度最大的第三步取樣返回，我們一直在緊鑼密鼓實(shí)施各項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)，其中最具代表性的就當(dāng)屬2014年10月份發(fā)射的嫦娥五號(hào)T1試驗(yàn)飛行器。它的目標(biāo)很明確，驗(yàn)證從月球軌道的高速大氣返回技術(shù)，這正是“嫦娥五號(hào)”甚至以后的載人登月計(jì)劃中所需要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一。

▲ 2014年，嫦娥五號(hào)T1實(shí)驗(yàn)飛行器“小飛”繞飛月球后安全返回內(nèi)蒙古著陸場(chǎng)，這是為日后月球取樣返回乃至載人登月做的技術(shù)準(zhǔn)備

▲ 1959年，人類首次遠(yuǎn)遠(yuǎn)一窺月球背面的模樣。圖像由蘇聯(lián)“月球3號(hào)”拍攝

▲ 月球的“同步自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象：由于月球自轉(zhuǎn)的方向與周期，與它自己圍繞地球公轉(zhuǎn)的方向和周期是一樣的。這樣導(dǎo)致的一個(gè)結(jié)果是，月球永遠(yuǎn)以同一面朝向地球。換句話說(shuō)，我們?cè)诘厍蛏现荒芸吹酵幻娴脑虑?，我們看不到它的背?/p>

問(wèn)題二：“嫦娥四號(hào)”是做什么的？

首先，說(shuō)一下“嫦娥四號(hào)”的“身世”。航天是高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，因此，很多航天國(guó)家在研制探測(cè)器時(shí)一般都會(huì)一次做兩個(gè)一模一樣的，一個(gè)叫“主份”，另一個(gè)叫“備份”。比如“嫦娥二號(hào)”就是“嫦娥一號(hào)”的備份，如果“嫦娥一號(hào)”出現(xiàn)意外，“二號(hào)”就會(huì)頂替“一號(hào)”，“堅(jiān)決完成任務(wù)”。

但是我們都知道，“嫦娥一號(hào)”非常成功，那么“嫦娥二號(hào)”也不能浪費(fèi)是不？但也不能簡(jiǎn)單重復(fù)一號(hào)的工作啊，怎么辦？科學(xué)家們決定：改造二號(hào)，使其承擔(dān)更進(jìn)一步、更具有風(fēng)險(xiǎn)的繞飛任務(wù)，并為后續(xù)的“嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)進(jìn)行詳細(xì)勘測(cè)。就說(shuō)一個(gè)方面，“嫦娥一號(hào)”飛行時(shí)，距離月面有200公里，而“嫦娥二號(hào)”最近時(shí)高度僅有15公里！要知道月球上是起伏不平的，有很多上千米的高山！

為什么這樣做？一方面是為了拍攝更加清晰的“嫦娥三號(hào)”預(yù)定著陸區(qū)圖像，仔細(xì)查看那里是不是有過(guò)多的石塊等對(duì)著陸可能產(chǎn)生威脅的因素；另一方面，“嫦娥三號(hào)”在著陸時(shí)，同樣會(huì)先變軌到15公里高度，隨后開(kāi)始緩慢下降，這其實(shí)是對(duì)后續(xù)著陸月球的測(cè)控技術(shù)的一種提前演練，意義不可謂不重要。

說(shuō)了這么多，跟“嫦娥四號(hào)”有什么關(guān)系？簡(jiǎn)答：“嫦娥四號(hào)”就是“嫦娥三號(hào)”的備份星。盡管出現(xiàn)了一些意想不到的故障，但2013年的“嫦娥三號(hào)”仍然基本完成了我們計(jì)劃中“落”的目標(biāo)，于是和前面一樣，作為備份的“嫦娥四號(hào)”任務(wù)在2014年被批準(zhǔn)立項(xiàng)，在各種改裝后，“嫦娥四號(hào)”準(zhǔn)備放手去執(zhí)行更加大膽的計(jì)劃。是什么呢？著陸到月球背面去！

是的，“嫦娥四號(hào)”將會(huì)降落到月亮的背面去。這是人類的第一次。

問(wèn)題三：為什么要去月球背面？那里沒(méi)人去過(guò)嗎？

是的，沒(méi)人去過(guò)。人類早在1959年就通過(guò)蘇聯(lián)發(fā)射的月球3號(hào)衛(wèi)星第一次看到了月球背面的模樣，但也只是遠(yuǎn)觀而已，從未有著陸器實(shí)現(xiàn)在月球背面的降落考察。

由于“嫦娥三號(hào)”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我們?cè)?jì)劃中第二步“落”的目標(biāo)。說(shuō)句不好聽(tīng)的大實(shí)話：作為備份星的“廢品利用”，“嫦娥四號(hào)”就有了進(jìn)行更大膽，當(dāng)然在科學(xué)上也更可能有收獲的任務(wù)的底氣和可能性。

那么為什么我們最終選擇了月球背面？

在講述之前，首先我們需要明確幾個(gè)關(guān)于月球的基本知識(shí)點(diǎn)，以免一部分讀者感到困惑。順便，如果屏幕前的你是一位高中生，而你竟然也對(duì)以下的論述感到困惑，那就說(shuō)明你沒(méi)有學(xué)好高一地理，看完趕緊回去復(fù)習(xí)。

▲ 基于“嫦娥一號(hào)”數(shù)據(jù)構(gòu)建的全月球地圖。左側(cè)為正面，我們熟悉的月球；右側(cè)是我們地球上看不到的背面。紅字標(biāo)出了SPA盆地位置

▲ “嫦娥四號(hào)”的預(yù)定著陸區(qū)“馮·卡門環(huán)形山”

▲ 馮·卡門環(huán)形山周圍區(qū)域高程地圖，地勢(shì)上大致北高南低，有利于自北向南實(shí)現(xiàn)降落

第一，月球永遠(yuǎn)以同一面朝向地球。換句話說(shuō)，月球有一面是我們?cè)诘厍蛏嫌肋h(yuǎn)也看不到的，這就是月球的背面，而嫦娥四號(hào)探測(cè)器，正是要在那里著陸——人類歷史上的第一次。

第二，月球背面并不是永恒的黑夜，所謂“月之暗面”是不存在的。簡(jiǎn)單的解釋就是：月球是永遠(yuǎn)以一面朝向地球，而不是以一面朝向太陽(yáng)。換句話說(shuō)，月球表面也會(huì)有白天和晚上，月亮上的一天大約是地球28天不到一點(diǎn)，所以“廣寒宮”里的白天大概相當(dāng)于我們“人間”的14天，夜晚也是大約14天；

“嫦娥四號(hào)”的預(yù)定著陸點(diǎn)是位于月球背面南極-艾特肯(South Pole-Aitken，SPA)盆地內(nèi)的馮·卡門(Von Kármán)撞擊坑。SPA是一個(gè)直徑達(dá)到2500公里，最深處超過(guò)13公里的超級(jí)大盆地。這是整個(gè)月球上已知最大、最古老，深度也最大的撞擊盆地。事實(shí)上，SPA盆地被認(rèn)為很可能是整個(gè)太陽(yáng)系內(nèi)最大、最古老的撞擊盆地。這里保存了原始月殼的巖石，具有極高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。馮·卡門撞擊坑位于SPA盆地的中部，直徑約186千米，中心坐標(biāo)為(44.8°S，175.9°E)。

該撞擊坑是SPA盆地中典型地貌類型，物質(zhì)成分和地質(zhì)年代具有明顯的代表性。撞擊坑內(nèi)的釷、氧化鐵、二氧化鈦等含量均較高，同時(shí)物質(zhì)組成的異?？臻g分布可能提供該地區(qū)火山活動(dòng)以及月殼活動(dòng)線索，有利于開(kāi)展月殼活動(dòng)研究，并對(duì)月幔玄武巖起源研究有重要意義。因此，馮·卡門撞擊坑具有較高的科學(xué)探測(cè)價(jià)值，被認(rèn)為是未來(lái)載人月球探測(cè)的候選著陸點(diǎn)之一。

另一方面，馮·卡門撞擊坑的南部地勢(shì)相對(duì)較為平坦，按照設(shè)計(jì)，屆時(shí)“嫦娥四號(hào)”將從北往南飛行并逐漸降低高度，從著陸航跡上看，馮·卡門撞擊坑地形起伏較小，有利于保障著陸過(guò)程安全。最后，其緯度與“嫦娥三號(hào)”的虹灣著陸區(qū)相近，具有較為有利的條件和較強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。

但同樣重要，甚至更為重要的一點(diǎn)是：月球背面極為適合進(jìn)行射電天文觀測(cè)。由于地球擁有大氣層，很多波長(zhǎng)的電磁波是無(wú)法抵達(dá)地面的，另外，在某些波段上，地球上大量的無(wú)線電設(shè)備，大氣中的閃電，極光等現(xiàn)象都會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，甚至讓觀測(cè)難以進(jìn)行。

但是月球背面卻完全沒(méi)有這些問(wèn)題：這里沒(méi)有大氣，由于月球背面永遠(yuǎn)背對(duì)地球，因此這里屏蔽了所有來(lái)自地球的信號(hào)干擾，唯一的干擾就是太陽(yáng)輻射。而在夜晚，當(dāng)太陽(yáng)落山之后，這里就成了開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)。

▲ “鵲橋”中繼星承擔(dān)通訊中轉(zhuǎn)任務(wù)的效果圖

▲ 南極艾特肯盆地的地形圖。其中紅色代表高處，藍(lán)色代表低處。Mafic Mound（圖片中央的紅色區(qū)域）比周圍地面高出了800米

▲ “鵲橋”工作原理示意圖

▲ “嫦娥四號(hào)”著巡組合體外觀

“嫦娥四號(hào)”任務(wù)搭載了相應(yīng)的科學(xué)設(shè)備，將在人類歷史上首次在月球背面開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)，有望填補(bǔ)人類在100～1000 kHz射電天文觀測(cè)的空白，有望在太陽(yáng)風(fēng)激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束流的產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性的成果。

問(wèn)題四：落到月球背面，“嫦娥四號(hào)”怎么跟地球保持聯(lián)系？

好問(wèn)題！你想到了嗎？

的確，前面說(shuō)到，月球的“身子”能擋住來(lái)自地球的干擾，當(dāng)然同樣也能擋住通訊信號(hào)。人類歷史上所有的月球著陸器無(wú)一例外都是降落在月球的正面，也就是我們從地球上能夠看到的那一面，原因很簡(jiǎn)單，它需要和地球進(jìn)行通訊。這也是為何當(dāng)年?duì)幭嚅_(kāi)展月球探測(cè)的美蘇兩國(guó)最終都沒(méi)有進(jìn)軍月球背面的原因之一，換句話說(shuō)，他們才不是因?yàn)榕履抢镉惺裁赐庑侨嘶兀?/p>

怎么解決呢？我們的方法是發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星，將它放置在地球與月球之間的第二拉格朗日點(diǎn)（L2點(diǎn)）上。這是地球與月球兩者引力的平衡點(diǎn)之一，在這個(gè)位置上，中繼衛(wèi)星只需要消耗很少的燃料就能夠長(zhǎng)期運(yùn)行。

而這個(gè)位置的好處就在于，它能夠同時(shí)將地球，以及月球背面納入視野，從而扮演兩個(gè)原本被隔絕的地點(diǎn)之間的“通訊聯(lián)絡(luò)員”。

我們可以做這樣的比喻：就像在足球場(chǎng)上踢球，你（“嫦娥四號(hào)”）想傳球（信號(hào)）給遠(yuǎn)處的隊(duì)友（地球），可是你們中間有一個(gè)人高馬大，長(zhǎng)得跟胖虎差不多的對(duì)方防守隊(duì)員（月球球體），為了把球傳給對(duì)方，你決定“曲線救國(guó)”——你把球（信號(hào)）傳給了遠(yuǎn)處的另一位隊(duì)友（中繼衛(wèi)星），由他再把球傳給在對(duì)手身后的你的隊(duì)友（地球）。

為執(zhí)行“嫦娥四號(hào)”計(jì)劃服務(wù)的中繼衛(wèi)星名叫“鵲橋”，它已經(jīng)在2018年5月21日順利發(fā)射升空，并已在地月L2點(diǎn)上準(zhǔn)確運(yùn)行，等待“嫦娥四號(hào)”的到來(lái)。

（公眾號(hào)“星空早知道” 供稿）