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，“鵲橋”號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探測器提供通暢的地月中繼通信支持。

獨(dú)家視頻：嫦娥四號任務(wù)中繼衛(wèi)星成功發(fā)射

　　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？

　　嫦娥四號的專屬衛(wèi)星——鵲橋中繼星

　　在中國乃至全世界，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，只允許每年的農(nóng)歷七月七日相見。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，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，開始對這一星球進(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。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。月球這種規(guī)律稱為潮汐鎖定（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，因此無論何時(shí)從地球觀察月球，都能看見同一面的半球。直到1959年，從前蘇聯(lián)的太空船月球3號傳送回來的照片，才完整的看見月球背面。

　　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。

　　中國方案

　　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。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，沒有直接快速飛向月球，而是在經(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(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，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，展現(xiàn)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(jì)劃執(zhí)行前夕，美國宇航局已經(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，這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，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)和地球的無線電通信中斷，失去和地球的聯(lián)系。

　　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。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(xué)任務(wù)。嫦娥三號任務(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，它實(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。嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，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。2019年發(fā)射嫦娥五號探測器，實(shí)現(xiàn)區(qū)域軟著陸及采樣返回。未來，我國還發(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)采樣返回。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。

　　其實(shí)在嫦娥三號出色完成預(yù)定任務(wù)后，科學(xué)家們在“嫦娥四號究竟做什么”這個(gè)問題上意見不一致，為此爭論了兩年之久，分歧的核心是嫦娥四號是落在月球正面還是背面。剛開始很多人認(rèn)為落在正面技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，不要節(jié)外生枝。嫦娥系列月球探測器總指揮兼總設(shè)計(jì)師顧問葉培健院士認(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：背面沒去過！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)。

　　三體問題

　　要回答什么是引力平衡點(diǎn)，可以從我國當(dāng)代知名科幻作家劉慈欣科幻小說《三體》說起，在這本小說里構(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，小說中提到三體問題，倒還真是天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家們數(shù)百年來面臨的一個(gè)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(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)，問題就更加復(fù)雜了。然而即使是極其簡化了的三體問題，從牛頓那時(shí)開始，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。既然三體問題難以解決，人們就開始嘗試求解一些經(jīng)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(gè)大質(zhì)量天體（比如太陽和地球）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)的法國數(shù)學(xué)家拉格朗日在這個(gè)問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題，橢圓軌道是宇宙中天體運(yùn)動(dòng)的常見軌道。拉格朗日對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)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。這5個(gè)拉格朗日點(diǎn)簡稱為L1-L5。其中，L1-L3都位于兩個(gè)大天體的連線或延長線上，L1-L3都是不穩(wěn)定的，也就是說，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)限于觀測條件，這個(gè)計(jì)算結(jié)果無法驗(yàn)證，不過100多年后，天文學(xué)家在太陽系里找到了實(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-太陽系統(tǒng)的L4和L5上，和木星、太陽恰好組成了兩個(gè)等邊三角形。

　　但如果把嫦娥四號中繼衛(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)為圍繞太陽或月球的視運(yùn)動(dòng)，也就是看起來像日暈或月暈。事實(shí)上，“暈”字借自日暈或月暈。日暈（或月暈）是太陽（或月亮）周圍出現(xiàn)光環(huán)的一種氣象現(xiàn)象。選擇的暈軌道在與地-月連線垂直并通過平動(dòng)點(diǎn)的平面附近。航天器距平動(dòng)點(diǎn)的距離超過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)椋谕恢本€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)來進(jìn)行軌道維持。

　　對于這一整套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星會(huì)給人類傳遞更多關(guān)于月球和宇宙的真相！

　?。ㄎ呢X航 中國國家空間科學(xué)中心博士，現(xiàn)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部型號設(shè)計(jì)師）