5月21日凌晨，中國(guó)成功發(fā)射了嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器的中繼衛(wèi)星“鵲橋”。隨后的幾天里，“鵲橋”號(hào)中繼星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)定地運(yùn)行，為下半年發(fā)射并在月球背面著陸的嫦娥四號(hào)探測(cè)器提供通暢的地月中繼通信支持。
獨(dú)家視頻：嫦娥四號(hào)任務(wù)中繼衛(wèi)星成功發(fā)射
為什么發(fā)射嫦娥四號(hào)之前要先架設(shè)“鵲橋”？對(duì)于月球背面探測(cè)這一世界難題，中國(guó)給出了怎樣的解決方案？“鵲橋”中繼星的運(yùn)行軌道有什么特殊之處？
嫦娥四號(hào)的專(zhuān)屬衛(wèi)星——鵲橋中繼星
在中國(guó)乃至全世界，有一個(gè)從小就耳熟能詳?shù)墓适拢合鄠髋＠珊涂椗汇y河隔開(kāi)，只允許每年的農(nóng)歷七月七日相見(jiàn)。為了讓牛郎和織女相會(huì)，各地的喜鵲就會(huì)飛過(guò)來(lái)用身體緊貼著搭成一座橋，此橋就叫做鵲橋。牛郎和織女便在這鵲橋上相會(huì)。而在5月21號(hào)，中國(guó)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(lèi)自古以來(lái)都對(duì)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(cè)月球，到近距離接近月球，最后到成功登月，開(kāi)始對(duì)這一星球進(jìn)行了更加深入地了解。
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(kāi)。月球背面之所以顯得神秘，原因在于我們無(wú)法從地球上直接觀測(cè)到月球背面。月球這種規(guī)律稱(chēng)為潮汐鎖定（或同步自轉(zhuǎn)、受俘自轉(zhuǎn)），發(fā)生在重力梯度使天體永遠(yuǎn)以同一面對(duì)著另一個(gè)天體，即月球永遠(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)半球固定不變的朝向伙伴。月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期都大約是4星期，因此無(wú)論何時(shí)從地球觀察月球，都能看見(jiàn)同一面的半球。直到1959年，從前蘇聯(lián)的太空船月球3號(hào)傳送回來(lái)的照片，才完整的看見(jiàn)月球背面。
嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器是嫦娥三號(hào)的備份星，計(jì)劃將登陸月球背對(duì)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(hào)與地球上的測(cè)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(hào)無(wú)法穿透月球抵達(dá)其背面，這就需要中繼衛(wèi)星的幫助來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成地面測(cè)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。
中國(guó)方案
如果追溯人類(lèi)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(hào)”探測(cè)器發(fā)射升空，開(kāi)始飛往月球。它前往月球的主要任務(wù)是揭開(kāi)月球背面的神秘面紗。為了完成既定任務(wù)，科研人員對(duì)發(fā)射時(shí)間和飛行軌道做了精心安排，沒(méi)有直接快速飛向月球，而是在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)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(guò)。當(dāng)它繞過(guò)月球背面時(shí)，在地球上看到的是“新月”，太陽(yáng)恰好在“月球3號(hào)”背面，照亮了遠(yuǎn)離地球一側(cè)的月面，使得“月球3號(hào)”拍攝了人類(lèi)不曾看到的月球背面圖片。在通過(guò)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張照片在飛行途中完成自動(dòng)沖印，然后轉(zhuǎn)換成電視信號(hào)，再通過(guò)無(wú)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(lèi)對(duì)月球背面的第一次觀察，展現(xiàn)了人類(lèi)以前從未看到過(guò)的景象。
1968年12月24日，阿波羅登月計(jì)劃執(zhí)行前夕，美國(guó)宇航局已經(jīng)完成了對(duì)月球的無(wú)人探測(cè)和載人空間飛行，此時(shí)阿波羅8號(hào)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，這是人類(lèi)歷史上第一次載人飛出近地軌道，抵達(dá)月球周?chē)能壍郎?，繞月軌道距離月球表面大約100至300公里，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(lèi)首度親眼看到月球背面。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(wú)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時(shí)，會(huì)和地球的無(wú)線電通信中斷，失去和地球的聯(lián)系。
2004年，中國(guó)正式開(kāi)展月球探測(cè)工程，并命名為“嫦娥工程”。目前，已經(jīng)發(fā)射了嫦娥一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)。嫦娥一號(hào)完成了我國(guó)探測(cè)器首次奔月，嫦娥二號(hào)是嫦娥一號(hào)的備份星，同屬探月一期工程，但完成了更多科學(xué)任務(wù)。嫦娥三號(hào)任務(wù)是我國(guó)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，它實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天器首次在地外天體軟著陸。2018年5月發(fā)射嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星，年底發(fā)射嫦娥四號(hào)探測(cè)器。嫦娥四號(hào)是嫦娥三號(hào)的備份星，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)探測(cè)器在月球背面首次軟著陸，開(kāi)展原位和巡視探測(cè)，以及地月L2點(diǎn)中繼通信。2019年發(fā)射嫦娥五號(hào)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)區(qū)域軟著陸及采樣返回。未來(lái)，我國(guó)還發(fā)射嫦娥五號(hào)的備份星——嫦娥六號(hào)月球探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)月球極區(qū)采樣返回。在完成中國(guó)探月工程繞月、落月、返回三期任務(wù)后，中國(guó)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(cè)、月球北極著陸。
其實(shí)在嫦娥三號(hào)出色完成預(yù)定任務(wù)后，科學(xué)家們?cè)?ldquo;嫦娥四號(hào)究竟做什么”這個(gè)問(wèn)題上意見(jiàn)不一致，為此爭(zhēng)論了兩年之久，分歧的核心是嫦娥四號(hào)是落在月球正面還是背面。剛開(kāi)始很多人認(rèn)為落在正面技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，不要節(jié)外生枝。嫦娥系列月球探測(cè)器總指揮兼總設(shè)計(jì)師顧問(wèn)葉培健院士認(rèn)為，落到月球背面，如果成功了是一大亮點(diǎn)；如果不成功，因?yàn)檫@是人類(lèi)第一次，也可以原諒。先不要講什么科學(xué)意義、技術(shù)帶動(dòng)，單從邏輯學(xué)上看，落到月球背面的科學(xué)意義就是一句話：背面沒(méi)去過(guò)！為了解決在背面與地球直接通信的問(wèn)題，中國(guó)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)。
三體問(wèn)題
要回答什么是引力平衡點(diǎn)，可以從我國(guó)當(dāng)代知名科幻作家劉慈欣科幻小說(shuō)《三體》說(shuō)起，在這本小說(shuō)里構(gòu)造出了一個(gè)復(fù)雜而迷人的宇宙體系。但是，這樣一個(gè)忽然很規(guī)律、忽然很紊亂的三體系統(tǒng)在宇宙中是不存在的，即使存在，也會(huì)很快崩潰。不過(guò)，小說(shuō)中提到三體問(wèn)題，倒還真是天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家們數(shù)百年來(lái)面臨的一個(gè)巨大難題。
自從牛頓提出萬(wàn)有引力定律以來(lái)，人們就很容易精確計(jì)算出宇宙中兩個(gè)天體在引力作用下的運(yùn)動(dòng)情況，得到天體的運(yùn)行軌道。但是，有第三個(gè)天體存在的話，情況就完全不同了，這三個(gè)天體之間的作用力關(guān)系就非常復(fù)雜以至于難以求解。而天體更多時(shí)，問(wèn)題就更加復(fù)雜了。然而即使是極其簡(jiǎn)化了的三體問(wèn)題，從牛頓那時(shí)開(kāi)始，在隨后的200多年中，歐拉、拉格朗日、拉普拉斯、龐加萊等等數(shù)學(xué)大師們絞盡了腦汁也未能將它攻克。既然三體問(wèn)題難以解決，人們就開(kāi)始嘗試求解一些經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的三體問(wèn)題，即所謂的限制性三體問(wèn)題。我們考慮一種情況：兩個(gè)大質(zhì)量天體（比如太陽(yáng)和地球）相互繞轉(zhuǎn)，第三個(gè)天體的質(zhì)量小到可以忽略（比如小行星、衛(wèi)星或探測(cè)器），但是這個(gè)小天體又處于兩個(gè)大天體引力的影響下，這就是限制性三體運(yùn)動(dòng)。
18世紀(jì)的法國(guó)數(shù)學(xué)家拉格朗日在這個(gè)問(wèn)題上做出了突破性的貢獻(xiàn)，他研究的是所謂的橢圓軌道限制性三體問(wèn)題，橢圓軌道是宇宙中天體運(yùn)動(dòng)的常見(jiàn)軌道。拉格朗日對(duì)限制性橢圓軌道三體運(yùn)動(dòng)求出了五個(gè)特解，并由此計(jì)算出5個(gè)在三體系統(tǒng)中引力達(dá)到平衡的所謂“拉格朗日點(diǎn)”，如果把物體放到三體系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)上，物體會(huì)保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。這5個(gè)拉格朗日點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)1-L5。其中，L1-L3都位于兩個(gè)大天體的連線或延長(zhǎng)線上，L1-L3都是不穩(wěn)定的，也就是說(shuō)，如果這個(gè)點(diǎn)上的物體受到外界擾動(dòng)而偏離了這個(gè)位置，就不會(huì)再回到這個(gè)位置，而是日漸遠(yuǎn)離。L4和L5分別位于較小天體繞較大天體運(yùn)行的軌道上，與兩較大天體組成非常穩(wěn)定的等邊三角形。當(dāng)時(shí)限于觀測(cè)條件，這個(gè)計(jì)算結(jié)果無(wú)法驗(yàn)證，不過(guò)100多年后，天文學(xué)家在太陽(yáng)系里找到了實(shí)例，那就是特洛伊小行星群，這些小行星分成兩組，分別在木星-太陽(yáng)系統(tǒng)的L4和L5上，和木星、太陽(yáng)恰好組成了兩個(gè)等邊三角形。
但如果把嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星直接部署到在這個(gè)拉格朗日點(diǎn)上，則中繼星就和月球一起以相等的角速度圍繞地球運(yùn)動(dòng)?？墒侵欣^星始終在月球背后，從地球上總是看不到它，也就不能進(jìn)行中繼通信了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可采用暈軌道形式。從地球上看，在暈軌道上運(yùn)行的航天器呈現(xiàn)為圍繞太陽(yáng)或月球的視運(yùn)動(dòng)，也就是看起來(lái)像日暈或月暈。事實(shí)上，“暈”字借自日暈或月暈。日暈（或月暈）是太陽(yáng)（或月亮）周?chē)霈F(xiàn)光環(huán)的一種氣象現(xiàn)象。選擇的暈軌道在與地-月連線垂直并通過(guò)平動(dòng)點(diǎn)的平面附近。航天器距平動(dòng)點(diǎn)的距離超過(guò)3500公里，圍繞平動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)周期約為半個(gè)月。這樣就使月球背面與地面實(shí)時(shí)通信的困難得到解決。無(wú)論選擇哪一種暈軌道,航天器都要具有控制軌道的能力。這是因?yàn)?，在同一直線上的平衡點(diǎn)（L1和L2拉格朗日點(diǎn)）實(shí)際上是動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的，擾動(dòng)將使小天體離平衡位置越來(lái)越遠(yuǎn)。因此在L1和L2點(diǎn)附近的航天器實(shí)際上需要靠自身的推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行軌道維持。
對(duì)于這一整套月球背面著陸通信方案，中國(guó)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(hào)通過(guò)鵲橋中繼星會(huì)給人類(lèi)傳遞更多關(guān)于月球和宇宙的真相！
?。ㄎ呢X(qián)航 中國(guó)國(guó)家空間科學(xué)中心博士，現(xiàn)中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部型號(hào)設(shè)計(jì)師）
