飛向月球的別樣“鵲橋”

◎文 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 錢航

編者按：

5月21日凌晨，中國成功發(fā)射了“嫦娥四號”月球探測器的中繼衛(wèi)星“鵲橋”。隨后的幾天里，中繼衛(wèi)星“鵲橋”將飛行到月球背面上空的地月引力平衡點(diǎn)L2點(diǎn)，并在那里穩(wěn)定運(yùn)行，為下半年發(fā)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(fā)射“嫦娥四號”之前要先架設(shè)“鵲橋”？對于月球背面探測這一世界難題，中國又有怎樣的計(jì)劃？

兩座“鵲橋”

在中國有一個(gè)人們從小就耳熟能詳?shù)墓适拢合鄠髋＠珊涂椗汇y河隔開，只允許每年的農(nóng)歷七月初七相見。為了讓牛郎和織女相會(huì)，各地的喜鵲就會(huì)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(huì)。而在5月21號，中國發(fā)射的這顆以“鵲橋”命名的月球中繼衛(wèi)星，承載著這一美好寓意，發(fā)揮著同樣的作用。

月背難探

月球是地球的衛(wèi)星，同時(shí)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(jìn)步，科學(xué)家們從遠(yuǎn)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(xiàn)象被稱為潮汐鎖定（或同步自轉(zhuǎn)、受俘自轉(zhuǎn)），即重力梯度使天體永遠(yuǎn)以同一面對著另一個(gè)天體，月球永遠(yuǎn)以同一面朝向著地球。潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉(zhuǎn)一圈要花上繞著同伴公轉(zhuǎn)一圈相同的時(shí)間，這種同步自轉(zhuǎn)導(dǎo)致一個(gè)半球固定不變地朝向伙伴。月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期大約都是4周，因此無論何時(shí)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(lián)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(jì)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(yuǎn)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(yuǎn)的地月距離，而且還要隔著月球球體進(jìn)行通信聯(lián)系。但通信信號無法穿透月球抵達(dá)其背面，這就需要中繼衛(wèi)星的幫助來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成地面測控任務(wù)。這是“嫦娥”此次發(fā)射奔月之前先發(fā)射“鵲橋”衛(wèi)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(lián)的“月球3號”探測器發(fā)射升空，開始飛往月球。那次，它前往月球的主要任務(wù)是揭開月球背面的神秘面紗。

為了完成既定任務(wù)，科研人員對發(fā)射時(shí)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(jīng)過較長時(shí)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(jīng)過。當(dāng)它繞過月球背面時(shí)，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(yuǎn)離地球一側(cè)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(nèi)，兩個(gè)光學(xué)相機(jī)拍攝了29張照片，其中17張照片是在飛行途中完成自動(dòng)沖印，然后通過電視掃面轉(zhuǎn)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(qū)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(xiàn)了從未看到過的景象。

1968年12月24日，阿波羅登月計(jì)劃執(zhí)行前夕，美國國家航空航天局已經(jīng)完成了對月球的無人探測和載人空間飛行。此時(shí)“阿波羅8號”任務(wù)即將實(shí)施，這個(gè)任務(wù)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(dá)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(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，根本無法在月球背面著陸。更危險(xiǎn)的是，如果航天器在月球背面著陸，就會(huì)和地球的無線電通信中斷，失去和地球的聯(lián)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(jīng)發(fā)射了“嫦娥”一號、二號和三號?！版隙鹨惶枴蓖瓿闪宋覈綔y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(xué)任務(wù)?！版隙鹑枴比蝿?wù)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(guān)鍵一步，實(shí)現(xiàn)了我國航天器首次在地外天體軟著陸。

2018年5月發(fā)射“嫦娥四號”中繼衛(wèi)星，年底發(fā)射“嫦娥四號”探測器?！版隙鹚奶枴笔恰版隙鹑枴钡膫浞菪?，將實(shí)現(xiàn)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(diǎn)中繼通信等目標(biāo)。2019年發(fā)射“嫦娥五號”探測器，將實(shí)現(xiàn)區(qū)域軟著陸及采樣返回等目標(biāo)。未來，我國還將發(fā)射“嫦娥五號”的備份星—“嫦娥六號”月球探測器，實(shí)現(xiàn)月球極區(qū)采樣。

在完成中國探月工程繞月、落月、返回三期任務(wù)后，中國將繼續(xù)探月四期任務(wù)，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(xué)家提出了解決方案—把中繼衛(wèi)星發(fā)射到月球背面上空的地月引力平衡點(diǎn)L2點(diǎn)。對于月球背面著陸通信方案，中國科學(xué)家們都非常有信心，因?yàn)槊恳豁?xiàng)技術(shù)都在之前的試驗(yàn)飛行中得到了驗(yàn)證。相信在后續(xù)任務(wù)中，“嫦娥四號”通過“鵲橋”中繼衛(wèi)星會(huì)給人類傳遞更多關(guān)于月球的真相！