“嫦娥四號”為什么要去月球背面

2018年12月8日凌晨2時23分，嫦娥四號探測器由長征三號乙運載火箭從西昌衛星發射中心發射升空。“嫦娥四號”的發射，是近年來我國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”任務相關的一些情況，就大家都關心的幾個核心的問題進行初步的解答。

問題一：什么是“嫦娥工程”？

“嫦娥工程”，是中國探月工程的名稱。最早，我們國家在1994年的時候，就進行了有關探月活動必要性和可行性的相關研究。此后，經過充分論證，中國科學院于2000年基本確定了我國開展月球探測的科學目標。

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

在2006年2月由國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》中，第一次明確將“載人航天與探月工程”列入了國家16個重大科技專項之一。按照工程規劃，“嫦娥工程”分為“繞”“落”和“回”三步走。”繞“就是發射圍繞月球的軌道器；“落”就是實現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”拍攝的位于遠處“月平線”上的嫦娥三號著陸器

這個計劃目前執行得怎么樣了？很多人可能略有耳聞，但說不清楚。實際上，我國已經分別在2007年和2010年發射了“嫦娥一號”和“嫦娥二號”，這兩顆都是月球軌道器，實現了“繞”的第一步驟；2013年，“嫦娥三號”在虹灣降落成功，并釋放月球車，實現我們第二步的“落”。

未來，我國將通過“嫦娥五號”進一步實現“回”，即月面無人取樣返回的目標。而實際上，為了實現難度最大的第三步取樣返回，我們一直在緊鑼密鼓實施各項技術試驗，其中最具代表性的就當屬2014年10月份發射的嫦娥五號T1試驗飛行器。它的目標很明確，驗證從月球軌道的高速大氣返回技術，這正是“嫦娥五號”甚至以后的載人登月計劃中所需要的技術環節之一。

▲ 2014年，嫦娥五號T1實驗飛行器“小飛”繞飛月球后安全返回內蒙古著陸場，這是為日后月球取樣返回乃至載人登月做的技術準備

▲ 1959年，人類首次遠遠一窺月球背面的模樣。圖像由蘇聯“月球3號”拍攝

▲ 月球的“同步自轉”現象：由于月球自轉的方向與周期，與它自己圍繞地球公轉的方向和周期是一樣的。這樣導致的一個結果是，月球永遠以同一面朝向地球。換句話說，我們在地球上只能看到同一面的月球，我們看不到它的背面

問題二：“嫦娥四號”是做什么的？

首先，說一下“嫦娥四號”的“身世”。航天是高風險行業，因此，很多航天國家在研制探測器時一般都會一次做兩個一模一樣的，一個叫“主份”，另一個叫“備份”。比如“嫦娥二號”就是“嫦娥一號”的備份，如果“嫦娥一號”出現意外，“二號”就會頂替“一號”，“堅決完成任務”。

但是我們都知道，“嫦娥一號”非常成功，那么“嫦娥二號”也不能浪費是不？但也不能簡單重復一號的工作啊，怎么辦？科學家們決定：改造二號，使其承擔更進一步、更具有風險的繞飛任務，并為后續的“嫦娥三號”著陸區進行詳細勘測。就說一個方面，“嫦娥一號”飛行時，距離月面有200公里，而“嫦娥二號”最近時高度僅有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”預定著陸區圖像，仔細查看那里是不是有過多的石塊等對著陸可能產生威脅的因素；另一方面，“嫦娥三號”在著陸時，同樣會先變軌到15公里高度，隨后開始緩慢下降，這其實是對后續著陸月球的測控技術的一種提前演練，意義不可謂不重要。

說了這么多，跟“嫦娥四號”有什么關系？簡答：“嫦娥四號”就是“嫦娥三號”的備份星。盡管出現了一些意想不到的故障，但2013年的“嫦娥三號”仍然基本完成了我們計劃中“落”的目標，于是和前面一樣，作為備份的“嫦娥四號”任務在2014年被批準立項，在各種改裝后，“嫦娥四號”準備放手去執行更加大膽的計劃。是什么呢？著陸到月球背面去！

是的，“嫦娥四號”將會降落到月亮的背面去。這是人類的第一次。

問題三：為什么要去月球背面？那里沒人去過嗎？

是的，沒人去過。人類早在1959年就通過蘇聯發射的月球3號衛星第一次看到了月球背面的模樣，但也只是遠觀而已，從未有著陸器實現在月球背面的降落考察。

由于“嫦娥三號”已經實現了我們原計劃中第二步“落”的目標。說句不好聽的大實話：作為備份星的“廢品利用”，“嫦娥四號”就有了進行更大膽，當然在科學上也更可能有收獲的任務的底氣和可能性。

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關于月球的基本知識點，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，而你竟然也對以下的論述感到困惑，那就說明你沒有學好高一地理，看完趕緊回去復習。

▲ 基于“嫦娥一號”數據構建的全月球地圖。左側為正面，我們熟悉的月球；右側是我們地球上看不到的背面。紅字標出了SPA盆地位置

▲ “嫦娥四號”的預定著陸區“馮·卡門環形山”

▲ 馮·卡門環形山周圍區域高程地圖，地勢上大致北高南低，有利于自北向南實現降落

第一，月球永遠以同一面朝向地球。換句話說，月球有一面是我們在地球上永遠也看不到的，這就是月球的背面，而嫦娥四號探測器，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。簡單的解釋就是：月球是永遠以一面朝向地球，而不是以一面朝向太陽。換句話說，月球表面也會有白天和晚上，月亮上的一天大約是地球28天不到一點，所以“廣寒宮”里的白天大概相當于我們“人間”的14天，夜晚也是大約14天；

“嫦娥四號”的預定著陸點是位于月球背面南極-艾特肯(South Pole-Aitken，SPA)盆地內的馮·卡門(Von Kármán)撞擊坑。SPA是一個直徑達到2500公里，最深處超過13公里的超級大盆地。這是整個月球上已知最大、最古老，深度也最大的撞擊盆地。事實上，SPA盆地被認為很可能是整個太陽系內最大、最古老的撞擊盆地。這里保存了原始月殼的巖石，具有極高的科學研究價值。馮·卡門撞擊坑位于SPA盆地的中部，直徑約186千米，中心坐標為(44.8°S，175.9°E)。

該撞擊坑是SPA盆地中典型地貌類型，物質成分和地質年代具有明顯的代表性。撞擊坑內的釷、氧化鐵、二氧化鈦等含量均較高，同時物質組成的異常空間分布可能提供該地區火山活動以及月殼活動線索，有利于開展月殼活動研究，并對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探測價值，被認為是未來載人月球探測的候選著陸點之一。

另一方面，馮·卡門撞擊坑的南部地勢相對較為平坦，按照設計，屆時“嫦娥四號”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，有利于保障著陸過程安全。最后，其緯度與“嫦娥三號”的虹灣著陸區相近，具有較為有利的條件和較強的工程可實現性。

但同樣重要，甚至更為重要的一點是：月球背面極為適合進行射電天文觀測。由于地球擁有大氣層，很多波長的電磁波是無法抵達地面的，另外，在某些波段上，地球上大量的無線電設備，大氣中的閃電，極光等現象都會對觀測數據產生嚴重干擾，甚至讓觀測難以進行。

但是月球背面卻完全沒有這些問題：這里沒有大氣，由于月球背面永遠背對地球，因此這里屏蔽了所有來自地球的信號干擾，唯一的干擾就是太陽輻射。而在夜晚，當太陽落山之后，這里就成了開展低頻射電天文觀測的絕佳地點。

▲ “鵲橋”中繼星承擔通訊中轉任務的效果圖

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

▲ “鵲橋”工作原理示意圖

▲ “嫦娥四號”著巡組合體外觀

“嫦娥四號”任務搭載了相應的科學設備，將在人類歷史上首次在月球背面開展低頻射電天文觀測，有望填補人類在100～1000 kHz射電天文觀測的空白，有望在太陽風激波、日冕物質拋射和高能電子束流的產生機理等方面取得原創性的成果。

問題四：落到月球背面，“嫦娥四號”怎么跟地球保持聯系？

好問題！你想到了嗎？

的確，前面說到，月球的“身子”能擋住來自地球的干擾，當然同樣也能擋住通訊信號。人類歷史上所有的月球著陸器無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，原因很簡單，它需要和地球進行通訊。這也是為何當年爭相開展月球探測的美蘇兩國最終都沒有進軍月球背面的原因之一，換句話說，他們才不是因為怕那里有什么外星人基地！

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

而這個位置的好處就在于，它能夠同時將地球，以及月球背面納入視野，從而扮演兩個原本被隔絕的地點之間的“通訊聯絡員”。

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

為執行“嫦娥四號”計劃服務的中繼衛星名叫“鵲橋”，它已經在2018年5月21日順利發射升空，并已在地月L2點上準確運行，等待“嫦娥四號”的到來。

（公眾號“星空早知道” 供稿）