「鵲橋」選址點:困擾人類數百年 月球背面為何看不到?

「鵲橋」現已升空，將穿越茫茫太空奔赴屬於它的那個特殊位置，去完成它肩負的神聖使命，為什麼要在發射嫦娥四號之前先架設一座「鵲橋」？對於月球背面探測這一世界難題，中國給出了怎樣的解決方案？「鵲橋」中繼星的運行軌道有什麼特殊之處？記者為此專門採訪了中國運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師、中國國家空間科學中心錢航博士。

白繼開攝

月球的背面

為何看不到

月球是地球的衛星，同時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，隨著科技水平的進步，科學家們從遠距離觀測月球，到近距離接近月球，最後到成功登月，開始對這一星球進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。

錢舤說，月球背面之所以顯得神秘，原因在於我們無法從地球上直接觀測到月球背面，月球的這種規律被稱為「潮汐鎖定」，或稱「同步自轉」、「受俘自轉」，在宇宙中普遍存在。

潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉一圈的時間與繞著同伴公轉一圈的時間相同，這種同步自轉導致一個半球固定不變的朝向同伴。

月球繞地球一周的公轉周期為27.3個地球日，其自轉周期也是27.3個地球日，這個時間也被稱作一個「恆星月」。由於月球自轉周期和公轉周期相等，使得人類在地球上只能看見月球的正面，而永遠看不見月球的背面。

人類很久以前就開始觀測月球，其中物理學家伽利略對月坑進行了長期觀測，並命名了環形山。但人類對無法看到的月球背面充滿了好奇，甚至產生了很多傳說，有人甚至想像月球背面是外星人的基地，電影《變形金剛》還把這個設想寫進了劇本。在地球上看不到月球背面這種情況一直持續到1959年，從蘇聯的太空船月球3號傳送回來的照片，人類才第一次完整的看見了月球背面。

我國今年將要發射的嫦娥四號月球探測器登陸的目的地在月球南極附近的艾特肯盆地，處於月球背面，屆時嫦娥四號與地球上的測控中心不僅相隔遙遠的地月距離，而且還隔著月球球體，由於通信信號無法穿透月球抵達其背面，這就需要中繼衛星的幫助來實現數據傳輸，完成地面測控任務，這就是「鵲橋」中繼星要提前發射的原因。

為探索背面

經歷過什麼

「月球3號」是蘇聯月球計劃的一顆探測器，也是世界上第一個拍得月球背面照片的太空飛行器。1959年10月7日，月球3號在飛過月球背面時發回了29禎圖像，當時引起巨大轟動。照片表明，月球背面主要是高地和山脈，環形山比正面多了很多，大面積的月海只有兩個。

錢航說，當年蘇聯的「月球3號」探測器前往月球的主要任務就是為了揭開月球背面的神秘面紗。為了完成既定任務，科研人員對發射時間和飛行軌道做了精心安排，沒有直接快速飛向月球，而是在經過較長時間的飛行之後緩慢地繞到月球背面，在距離月球大約7000米處經過。當它繞過月球背面時，在地球上看到的是「新月」，太陽恰好在「月球3號」背面，照亮了遠離地球一側的月面，使得「月球3號」拍攝了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，兩個光學相機拍攝了29張照片，其中17張照片在飛行途中完成自動衝印，然後通過電視掃面轉換成電視信號，再通過無線通訊裝置傳送回地面，雖然最後得到的照片解析度很低，而且只覆蓋了月球背面70%的區域，但是卻記錄了人類對月球背面你的第一次觀察，展現了人類以前從未看到過的景象。

1968年12月24日，阿波羅登月計劃執行前夕，美國宇航局已經完成了對月球的無人探測和載人空間飛行，此時阿波羅8號任務即將實施，這個任務並不是登月，而是登月之前最重要的一次繞月飛行，這是人類歷史上第一次載人飛出近地軌道，抵達月球周圍的軌道上。

當時，繞月軌道距離月球表面大約100至300公裡，太空人弗蘭克o博爾曼、詹姆斯o洛弗爾和威廉士o安德斯拍攝到了航天史上最著名的照片：從月球軌道上看地球「升起」，這是人類首度親眼看到月球背面。由於月球背面布滿了大量巨大的隕石坑，在當時的技術條件下，根本無法在月球背面著陸。更危險的是，如果太空飛行器的月球背面著陸時，會和地球的無線電通信中斷，失去和地球的聯繫。

2004年，中國正式開展月球探測工程，並命名為「嫦娥工程」。目前，已經發射了嫦娥一號、二號和三號。嫦娥一號完成了我國探測器首次奔月，嫦娥二號是嫦娥一號的備份星，同屬探月一期工程，但完成了更多科學任務。嫦娥三號任務是我國探月工程「繞、落、回」三步走中的第二步，也是承前啟後的關鍵一步，它實現了我國太空飛行器首次在地外天體軟著陸。剛剛發射的嫦娥四號中繼衛星，年底將發射嫦娥四號探測器，將實現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點中繼通信。計劃明年發射的嫦娥五號探測器，實現區域軟著陸及採樣返回未來。

錢航說，未來我國還將發射嫦娥五號的備份星——嫦娥六號月球探測器，實現月球極區採樣返回。在完成中國探月工程繞月、落月、返回三期任務後，我國將繼續探月四期任務，逐步開展包括月球背面著陸巡視、月面二次採樣返回、月球南極著陸探測、月球北極著陸等在內的一系列任務。

「鵲橋」地點

曾是大難題

「鵲橋」中繼衛星即將到達的目的地是地月引力平衡點L2，而「鵲橋」選址的這個點，曾經困擾了科學家幾個世紀。

什麼是引力平衡點？錢航說，其實可以從劉慈欣的科幻巨著《三體》說起。在這本小說裡作家虛構出了一個複雜而迷人的宇宙體系，但是像三體這樣一個忽然很規律、忽然很紊亂的三體系統在宇宙中是不存在的，即使存在，也會很快崩潰。不過，小說中提到三體問題，還真是天文學家和數學家們數百年來面臨的一個巨大難題。

自從牛頓提出萬有引力定律以來，人們就很容易精確計算出宇宙中兩個天體在引力作用下的運動情況，得到天體的運行軌道。但是，有第三個天體存在的話，情況就完全不同了。這三個天體之間的作用力關係就非常複雜以至於難以求解。而天體更多時，問題就更加複雜了。然而即使是極其簡化了的三體問題，從牛頓那時開始，在隨後的200多年中，歐拉、拉格朗日、拉普拉斯、龐加萊等等數學大師們絞盡了腦汁也未能將它攻克。

既然三體問題難以解決，人們就開始嘗試求解一些經過簡化的三體問題，即所謂的限制性三體問題。我們考慮一種情況：兩個大質量天體（比如太陽和地球）相互繞轉，第三個天體的質量小到可以忽略（比如小行星、衛星或探測器），但是這個小天體又處於兩個大天體引力的影響下，這就是限制性三體運動。

18世紀的法國數學家拉格朗日在這個問題上做出了突破性的貢獻，他研究的是所謂的橢圓軌道限制性三體問題，橢圓軌道是宇宙中天體運動的常見軌道。拉格朗日對限制性橢圓軌道三體運動求出了五個特解，並由此計算出5個在三體系統中引力達到平衡的所謂「拉格朗日點」。如果把物體放到三體系統的拉格朗日點上，物體會保持相對靜止狀態。這5個拉格朗日點簡稱為L1至L5。其中，L1到L3都位於兩個大天體的連線或延長線上，是不穩定的，也就是說，如果這個點上的物體受到外界擾動而偏離了這個位置，就不會再回到這個位置，而是日漸遠離。L4和L5分別位於較小天體繞較大天體運行的軌道上，與兩較大天體組成非常穩定的等邊三角形。當時限於觀測條件，這個計算結果無法驗證，不過100多年後，天文學家在太陽系裡找到了實例，那就是特洛伊小行星群，這些小行星分成兩組，分別在木星-太陽系統的L4和L5上，和木星、太陽恰好組成了兩個等邊三角形。

L2點位於地球和月球的質心連線上月球背面一側，距離月球中心約6萬公裡處。如果把嫦娥四號中繼衛星直接部署到在L2點上，則中繼星就和月球一起以相等的角速度圍繞地球運動，可是L2點本身與地球之間也被月球遮擋了，屆時中繼星始終在月球背後，從地球上總是看不到它，也就不能進行中繼通信了。為了解決這個問題，科學家想出了「暈軌道」形式。日暈（或月暈）是太陽（或月亮）周圍出現光環的一種氣象現象。

從地球上看，在暈軌道上運行的太空飛行器呈現為圍繞太陽或月球的視運動，也就是看起來像日暈或月暈。選擇的暈軌道在與地-月連線垂直並通過平動點的平面附近，太空飛行器距平動點的距離超過3500公裡，圍繞平動點的運動周期約為半個月，這樣就使月球背面與地面實時通信的困難得到解決。錢航解釋說，無論選擇哪一種暈軌道，太空飛行器都要具有控制軌道的能力。這是因為，在同一直線上的平衡點（L1和L2拉格朗日點）實際上是動態不穩定的，擾動將使小天體離平衡位置越來越遠，因此在L1和L2點附近的太空飛行器實際上需要靠自身的推進系統來進行軌道維持。

（原標題：「鵲橋」選址點 困擾人類數百年）

來源：北京晚報 記者 蔡文清

編輯：TF003