月背寂寞億萬(wàn)載喜迎“嫦娥”舞翩躚

科學(xué)研究表明，在地球上用肉眼或天文望遠(yuǎn)鏡只能觀測(cè)到約59%的固定的那一部分月面。隨著科技發(fā)展，月亮背面那層神秘面紗逐漸被我們揭開(kāi)。

早在1959年，蘇聯(lián)的“月球三號(hào)”探測(cè)器首次拍攝到月球背面，并把圖像成功傳回地球，制作了世界上第一個(gè)月球儀。1968年12月，阿波羅8號(hào)完成環(huán)月飛行后返回地球，三位宇航員成為第一次用肉眼看到月球背面的人類。其中一位宇航員William Anders這樣形容他看到的月球背面景象：月球的背面看起來(lái)就像是我家孩子們玩了一段時(shí)間的沙堆，到處坑坑洼洼，亂糟糟一片。1962年，美國(guó)宇航局的“徘徊者”月球探測(cè)器由于計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障無(wú)法工作，最終撞擊在月球背面粉身碎骨，成了首顆在月球背面硬著陸的探測(cè)器，當(dāng)然沒(méi)有發(fā)回任何有用的資料。之后，美國(guó)宇航局通過(guò)“月球軌道飛行器”項(xiàng)目系列探測(cè)器獲取了大量有關(guān)月球背面的信息。

月球背面與正面的地形有很大不同。在月球的正面，分布大量的月海，占正面總面積的31%。月海并不是月球上的海洋，而是指月面上比較低洼的平原。在月球背面則布滿了大大小小的環(huán)形山，月海面積僅占1%。

嫦娥四號(hào)的著陸點(diǎn)位于月球背面南極的馮·卡門(mén)環(huán)形山，它是一座巨大的古撞擊坑，直徑大約180千米，形成于45.5億～39.2億年前。馮·卡門(mén)環(huán)形山位于更大的艾特肯盆地中。該盆地是太陽(yáng)系內(nèi)已知的最大、最古老的撞擊坑。該盆地保存了原始月殼的巖石，收集這個(gè)區(qū)域巖石的數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家們更好地理解月球的組成，具有極高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

為什么月球固定一面對(duì)地球？

現(xiàn)在，月球繞地球公轉(zhuǎn)一圈和月球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，都是28天左右，在天文學(xué)中，這叫同步自轉(zhuǎn)。因此表現(xiàn)出來(lái)就是月亮總是以固定一面朝向地球。

然而，有研究表明，月球形成早期，自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快多了。數(shù)億年來(lái)，月球自轉(zhuǎn)速度不斷變慢，慢到自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)時(shí)間幾乎一樣，才導(dǎo)致它始終一面對(duì)著地球。那誰(shuí)給月球自轉(zhuǎn)踩了剎車呢？

首先，潮汐力難辭其咎。地球和月球相互繞轉(zhuǎn)，且相互具有萬(wàn)有引力，彼此都會(huì)給對(duì)方施加潮汐力。月球在繞地球轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到地球帶來(lái)的潮汐力。地球潮汐力讓月球正對(duì)和背對(duì)地球的面都鼓起來(lái)，并在月球內(nèi)部形成不斷涌動(dòng)的固體潮。這種固體潮導(dǎo)致月球幔層之間不斷摩擦，轉(zhuǎn)變?yōu)樵職?nèi)部的熱能。幾十億年，這可以耗散月球部分動(dòng)能，讓月球自轉(zhuǎn)減緩。不過(guò)，潮汐力這種作用很小，不能直接給月球自轉(zhuǎn)踩剎車。

有天文學(xué)者認(rèn)為，最直接的剎車機(jī)制是地球與月球之間的力矩作用。力矩是指作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向。月球在逐漸變扁的過(guò)程中，依然要在繞著地球公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)。想象在月球內(nèi)部，有一條與地心和月心連線方向一致的長(zhǎng)軸。長(zhǎng)軸在瞬間是指著地心的，但由于月球要自轉(zhuǎn)，下一瞬間這條長(zhǎng)軸就會(huì)偏過(guò)去，不再指著地心。這時(shí)，來(lái)自地球的潮汐力對(duì)月球這個(gè)長(zhǎng)軸的兩端都會(huì)產(chǎn)生力矩。這個(gè)力矩與長(zhǎng)軸偏移過(guò)去的方向相反，也就是跟月球自轉(zhuǎn)方向正好相反。這會(huì)直接改變?cè)虑蜃赞D(zhuǎn)的角動(dòng)量，導(dǎo)致月球自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢。

總之，由于以上原因，月球自轉(zhuǎn)逐漸變慢，直到自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相差無(wú)幾，而使月球只能有一面背對(duì)地球，也就被地球“潮汐鎖定”了。

在宇宙中，受潮汐力和力矩的影響，所有的行星-衛(wèi)星系統(tǒng)，甚至恒星-行星系統(tǒng)都在趨向于這種結(jié)果。只不過(guò)，這個(gè)過(guò)程非常之慢，可能在實(shí)現(xiàn)潮汐鎖定之前，天體系統(tǒng)就消亡了。或許有一天，地球也可能只有一面對(duì)著太陽(yáng)，另一面永遠(yuǎn)成了“背面”。

探測(cè)月球的背面有必要嗎？

答案是肯定的！

月球是離地球最近的天體，且沒(méi)有大氣層，具有得天獨(dú)厚的對(duì)天觀測(cè)、對(duì)地觀測(cè)和對(duì)月觀測(cè)條件。特別值得一提的是，月球南北兩極的永久陰影區(qū)溫度極低，可以進(jìn)行紅外天文觀測(cè)；月球背面是一片難得的寧?kù)o區(qū)域，沒(méi)有任何人為的無(wú)線電噪聲干擾，能更靈敏地監(jiān)聽(tīng)來(lái)自宇宙深處的微弱電磁信號(hào)，可獲得更暗弱的宇宙信息。

月球的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)更穩(wěn)定，有利于開(kāi)展長(zhǎng)期精密的天文觀測(cè)。此外，在月球上建立觀測(cè)站，可對(duì)地球進(jìn)行全球大尺度觀測(cè)，如地殼結(jié)構(gòu)的起伏、地球表面植被和全球氣候變化等。

由于月球幾乎沒(méi)有大氣和地質(zhì)活動(dòng)，巖石受到的損壞不大，研究月球巖石相當(dāng)于研究地球40億～39億年前的標(biāo)本，可了解許多地球早期大氣狀態(tài)的信息，甚至有助于人們認(rèn)識(shí)生命、地球、太陽(yáng)系乃至整個(gè)宇宙起源和演化歷史。

由于獨(dú)特的環(huán)境，月球是探測(cè)深空非常理想的中轉(zhuǎn)站，以及測(cè)試各種載人航天技術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)。在月球上組裝和發(fā)射航天器，利用原地資源生產(chǎn)所需的燃料，將為人類走向深空提供重要支撐。建月球基地，再?gòu)脑虑虬l(fā)射航天器到火星，是具有現(xiàn)實(shí)可行性的選擇，能節(jié)省大筆開(kāi)支。

月球上還擁有巨大的能源儲(chǔ)備，因此被稱為21世紀(jì)的波斯灣。由于沒(méi)有大氣層，月球表面土壤中有大量通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)吹來(lái)的氦3，這是一種清潔、安全和高效的核聚變發(fā)電燃料，在月球上建核電站不用擔(dān)心核泄漏。俄羅斯的一項(xiàng)估算則顯示，開(kāi)發(fā)月球氦3并運(yùn)回地球也有利可圖。此外，月球上蘊(yùn)藏著大量的自然資源，已知有100多種礦物，其中5種是地球上沒(méi)有的。因?yàn)樵虑虮砻鎺缀鯖](méi)有大氣，太陽(yáng)輻射可以長(zhǎng)驅(qū)直入，在月面可以建造高效率的太陽(yáng)能發(fā)電站。

嫦娥四號(hào)奔月之旅

2018年12月8日2時(shí)23分，嫦娥四號(hào)探測(cè)器搭乘長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，開(kāi)始了奔月之旅。經(jīng)過(guò)兩次“太空剎車”，12月30日，嫦娥四號(hào)成功進(jìn)入近月點(diǎn)高度約15千米、遠(yuǎn)月點(diǎn)高度約100千米的橢圓環(huán)月軌道，為擇機(jī)著陸做準(zhǔn)備。

2019年1月3日，在高度15千米的軌道上，嫦娥四號(hào)上的發(fā)動(dòng)機(jī)反推剎車，減小軌道速度，進(jìn)入動(dòng)力下降階段。由于月球上沒(méi)有空氣，只能采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推的方式徐徐下降。通過(guò)主減速階段使嫦娥四號(hào)軌道速度降低，并下降至8千米的高度；通過(guò)快速調(diào)整期進(jìn)入落月姿態(tài)；在反推火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的托舉下，逐漸下降高度至100米，稍作懸停，對(duì)著陸區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)尋找安全的落點(diǎn)；進(jìn)入躲避障礙階段，最后30米緩速落月。

嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功落月后，科技人員按計(jì)劃開(kāi)展了著陸器與巡視器分離的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，對(duì)“鵲橋”中繼星狀態(tài)、著陸點(diǎn)環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、太陽(yáng)入射角度等兩器分離的實(shí)施條件，進(jìn)行了最終檢查確認(rèn)。

2019年1月3日15時(shí)07分，科技人員通過(guò)“鵲橋”中繼星向嫦娥四號(hào)探測(cè)器發(fā)送指令，兩器分離開(kāi)始。從北京航天飛行控制中心飛控大廳屏幕上看到，嫦娥四號(hào)著陸器矗立月面，太陽(yáng)翼呈展開(kāi)狀態(tài)。巡視器立于著陸器頂部，展開(kāi)太陽(yáng)翼，伸出桅桿。隨后，巡視器開(kāi)始向轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)緩慢移動(dòng)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)正常解鎖，在著陸器與月面之間搭起一架斜梯，巡視器沿著斜梯緩緩走向月面。22時(shí)22分，巡視器踏上月球表面，完成兩器互拍后分別展開(kāi)探測(cè)工作。

嫦娥四號(hào)登月亮點(diǎn)紛呈

我國(guó)嫦娥四號(hào)登月之旅取得巨大技術(shù)成就，有專家總結(jié)簡(jiǎn)述如下：

1.實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸與巡視勘察。

2.實(shí)現(xiàn)月球背面探測(cè)器與地面站間的中繼衛(wèi)星通信。由此可見(jiàn)，我國(guó)遠(yuǎn)距離通信技術(shù)已躋身世界前列。

3.國(guó)際首次實(shí)現(xiàn)在月球背面的甚低頻射電天文觀測(cè)。嫦娥四號(hào)或許能為我們打開(kāi)一扇觀測(cè)宇宙的新窗口。

4.入軌精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。地球距離月球38萬(wàn)多千米，航天器從地球發(fā)射，并能精確抵達(dá)月球，由此可見(jiàn)，我國(guó)的精確導(dǎo)航和定位技術(shù)水平已經(jīng)到達(dá)了非常了不起的水平。運(yùn)載火箭發(fā)射嫦娥四號(hào)并非直飛月球，而是要通過(guò)多次機(jī)動(dòng)變軌，才能抵達(dá)月球，這期間任何一次機(jī)動(dòng)失敗，整個(gè)工程都將功虧一簣。整個(gè)飛行過(guò)程當(dāng)中要使用到航天變軌技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)變軌技術(shù)基本上一脈相承，同時(shí)整個(gè)飛行過(guò)程都有自動(dòng)化的星載計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此也體現(xiàn)了我國(guó)導(dǎo)彈技術(shù)的可靠性和高精度。

嫦娥四號(hào)工程分為中繼衛(wèi)星和探測(cè)器兩部分，中繼衛(wèi)星“鵲橋”是由長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭送到地-月L2點(diǎn)，探測(cè)器則由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭送入軌道。同嫦娥三號(hào)相比，嫦娥四號(hào)工程對(duì)運(yùn)載火箭提出了更高精度和可靠性要求。

5.嫦娥四號(hào)首次采用了同位素核電池(钚-238)供電方式，但還只是輔助作用，主要還是靠太陽(yáng)能板供電。這次使用的核電源功率僅2瓦，僅在月夜采集溫度的時(shí)候采用。

6.國(guó)際上首次開(kāi)展超地月距離的反射式激光測(cè)距試驗(yàn)。

7.國(guó)際首次開(kāi)展月背中子及輻射劑量、中性原子分布和地-月L2點(diǎn)低頻射電天文觀測(cè)研究。

嫦娥四號(hào)任務(wù)的順利實(shí)施不僅體現(xiàn)我國(guó)航天航空科技的迅猛發(fā)展，也凝聚著諸多參與國(guó)的貢獻(xiàn)。中國(guó)國(guó)家航天局愿與各國(guó)航天機(jī)構(gòu)、空間科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和空間探索愛(ài)好者攜手合作，共同探索太空奧秘。