“嫦娥四号”为什么要去月球背面

2018年12月8日凌晨2时23分，嫦娥四号探测器由长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。“嫦娥四号”的发射，是近年来我国航天乃至世界航天的一件大事，本文将和大家聊一聊与“嫦娥四号”任务相关的一些情况，就大家都关心的几个核心的问题进行初步的解答。

问题一：什么是“嫦娥工程”？

“嫦娥工程”，是中国探月工程的名称。最早，我们国家在1994年的时候，就进行了有关探月活动必要性和可行性的相关研究。此后，经过充分论证，中国科学院于2000年基本确定了我国开展月球探测的科学目标。

随后又是4年的等待，反复研究、论证，中国的探月工程终于在2004年得到正式立项，并被命名为“嫦娥工程”。这是我们国家第一个离开地球轨道，飞向另一颗星球的工程。

在2006年2月由国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》中，第一次明确将“载人航天与探月工程”列入了国家16个重大科技专项之一。按照工程规划，“嫦娥工程”分为“绕”“落”和“回”三步走。”绕“就是发射围绕月球的轨道器；“落”就是实现在月球表面的软着陆；“回”就是要把一部分月球的岩石和土壤带回地球做研究。

▲“玉兔号”拍摄的位于远处“月平线”上的嫦娥三号着陆器

这个计划目前执行得怎么样了？很多人可能略有耳闻，但说不清楚。实际上，我国已经分别在2007年和2010年发射了“嫦娥一号”和“嫦娥二号”，这两颗都是月球轨道器，实现了“绕”的第一步骤；2013年，“嫦娥三号”在虹湾降落成功，并释放月球车，实现我们第二步的“落”。

未来，我国将通过“嫦娥五号”进一步实现“回”，即月面无人取样返回的目标。而实际上，为了实现难度最大的第三步取样返回，我们一直在紧锣密鼓实施各项技术试验，其中最具代表性的就当属2014年10月份发射的嫦娥五号T1试验飞行器。它的目标很明确，验证从月球轨道的高速大气返回技术，这正是“嫦娥五号”甚至以后的载人登月计划中所需要的技术环节之一。

▲ 2014年，嫦娥五号T1实验飞行器“小飞”绕飞月球后安全返回内蒙古着陆场，这是为日后月球取样返回乃至载人登月做的技术准备

▲ 1959年，人类首次远远一窥月球背面的模样。图像由苏联“月球3号”拍摄

▲ 月球的“同步自转”现象：由于月球自转的方向与周期，与它自己围绕地球公转的方向和周期是一样的。这样导致的一个结果是，月球永远以同一面朝向地球。换句话说，我们在地球上只能看到同一面的月球，我们看不到它的背面

问题二：“嫦娥四号”是做什么的？

首先，说一下“嫦娥四号”的“身世”。航天是高风险行业，因此，很多航天国家在研制探测器时一般都会一次做两个一模一样的，一个叫“主份”，另一个叫“备份”。比如“嫦娥二号”就是“嫦娥一号”的备份，如果“嫦娥一号”出现意外，“二号”就会顶替“一号”，“坚决完成任务”。

但是我们都知道，“嫦娥一号”非常成功，那么“嫦娥二号”也不能浪费是不？但也不能简单重复一号的工作啊，怎么办？科学家们决定：改造二号，使其承担更进一步、更具有风险的绕飞任务，并为后续的“嫦娥三号”着陆区进行详细勘测。就说一个方面，“嫦娥一号”飞行时，距离月面有200公里，而“嫦娥二号”最近时高度仅有15公里！要知道月球上是起伏不平的，有很多上千米的高山！

为什么这样做？一方面是为了拍摄更加清晰的“嫦娥三号”预定着陆区图像，仔细查看那里是不是有过多的石块等对着陆可能产生威胁的因素；另一方面，“嫦娥三号”在着陆时，同样会先变轨到15公里高度，随后开始缓慢下降，这其实是对后续着陆月球的测控技术的一种提前演练，意义不可谓不重要。

说了这么多，跟“嫦娥四号”有什么关系？简答：“嫦娥四号”就是“嫦娥三号”的备份星。尽管出现了一些意想不到的故障，但2013年的“嫦娥三号”仍然基本完成了我们计划中“落”的目标，于是和前面一样，作为备份的“嫦娥四号”任务在2014年被批准立项，在各种改装后，“嫦娥四号”准备放手去执行更加大胆的计划。是什么呢？着陆到月球背面去！

是的，“嫦娥四号”将会降落到月亮的背面去。这是人类的第一次。

问题三：为什么要去月球背面？那里没人去过吗？

是的，没人去过。人类早在1959年就通过苏联发射的月球3号卫星第一次看到了月球背面的模样，但也只是远观而已，从未有着陆器实现在月球背面的降落考察。

由于“嫦娥三号”已经实现了我们原计划中第二步“落”的目标。说句不好听的大实话：作为备份星的“废品利用”，“嫦娥四号”就有了进行更大胆，当然在科学上也更可能有收获的任务的底气和可能性。

那么为什么我们最终选择了月球背面？

在讲述之前，首先我们需要明确几个关于月球的基本知识点，以免一部分读者感到困惑。顺便，如果屏幕前的你是一位高中生，而你竟然也对以下的论述感到困惑，那就说明你没有学好高一地理，看完赶紧回去复习。

▲ 基于“嫦娥一号”数据构建的全月球地图。左侧为正面，我们熟悉的月球；右侧是我们地球上看不到的背面。红字标出了SPA盆地位置

▲ “嫦娥四号”的预定着陆区“冯·卡门环形山”

▲ 冯·卡门环形山周围区域高程地图，地势上大致北高南低，有利于自北向南实现降落

第一，月球永远以同一面朝向地球。换句话说，月球有一面是我们在地球上永远也看不到的，这就是月球的背面，而嫦娥四号探测器，正是要在那里着陆——人类历史上的第一次。

第二，月球背面并不是永恒的黑夜，所谓“月之暗面”是不存在的。简单的解释就是：月球是永远以一面朝向地球，而不是以一面朝向太阳。换句话说，月球表面也会有白天和晚上，月亮上的一天大约是地球28天不到一点，所以“广寒宫”里的白天大概相当于我们“人间”的14天，夜晚也是大约14天；

“嫦娥四号”的预定着陆点是位于月球背面南极-艾特肯(South Pole-Aitken，SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑。SPA是一个直径达到2500公里，最深处超过13公里的超级大盆地。这是整个月球上已知最大、最古老，深度也最大的撞击盆地。事实上，SPA盆地被认为很可能是整个太阳系内最大、最古老的撞击盆地。这里保存了原始月壳的岩石，具有极高的科学研究价值。冯·卡门撞击坑位于SPA盆地的中部，直径约186千米，中心坐标为(44.8°S，175.9°E)。

该撞击坑是SPA盆地中典型地貌类型，物质成分和地质年代具有明显的代表性。撞击坑内的钍、氧化铁、二氧化钛等含量均较高，同时物质组成的异常空间分布可能提供该地区火山活动以及月壳活动线索，有利于开展月壳活动研究，并对月幔玄武岩起源研究有重要意义。因此，冯·卡门撞击坑具有较高的科学探测价值，被认为是未来载人月球探测的候选着陆点之一。

另一方面，冯·卡门撞击坑的南部地势相对较为平坦，按照设计，届时“嫦娥四号”将从北往南飞行并逐渐降低高度，从着陆航迹上看，冯·卡门撞击坑地形起伏较小，有利于保障着陆过程安全。最后，其纬度与“嫦娥三号”的虹湾着陆区相近，具有较为有利的条件和较强的工程可实现性。

但同样重要，甚至更为重要的一点是：月球背面极为适合进行射电天文观测。由于地球拥有大气层，很多波长的电磁波是无法抵达地面的，另外，在某些波段上，地球上大量的无线电设备，大气中的闪电，极光等现象都会对观测数据产生严重干扰，甚至让观测难以进行。

但是月球背面却完全没有这些问题：这里没有大气，由于月球背面永远背对地球，因此这里屏蔽了所有来自地球的信号干扰，唯一的干扰就是太阳辐射。而在夜晚，当太阳落山之后，这里就成了开展低频射电天文观测的绝佳地点。

▲ “鹊桥”中继星承担通讯中转任务的效果图

▲ 南极艾特肯盆地的地形图。其中红色代表高处，蓝色代表低处。Mafic Mound（图片中央的红色区域）比周围地面高出了800米

▲ “鹊桥”工作原理示意图

▲ “嫦娥四号”着巡组合体外观

“嫦娥四号”任务搭载了相应的科学设备，将在人类历史上首次在月球背面开展低频射电天文观测，有望填补人类在100～1000 kHz射电天文观测的空白，有望在太阳风激波、日冕物质抛射和高能电子束流的产生机理等方面取得原创性的成果。

问题四：落到月球背面，“嫦娥四号”怎么跟地球保持联系？

好问题！你想到了吗？

的确，前面说到，月球的“身子”能挡住来自地球的干扰，当然同样也能挡住通讯信号。人类历史上所有的月球着陆器无一例外都是降落在月球的正面，也就是我们从地球上能够看到的那一面，原因很简单，它需要和地球进行通讯。这也是为何当年争相开展月球探测的美苏两国最终都没有进军月球背面的原因之一，换句话说，他们才不是因为怕那里有什么外星人基地！

怎么解决呢？我们的方法是发射一颗中继卫星，将它放置在地球与月球之间的第二拉格朗日点（L2点）上。这是地球与月球两者引力的平衡点之一，在这个位置上，中继卫星只需要消耗很少的燃料就能够长期运行。

而这个位置的好处就在于，它能够同时将地球，以及月球背面纳入视野，从而扮演两个原本被隔绝的地点之间的“通讯联络员”。

我们可以做这样的比喻：就像在足球场上踢球，你（“嫦娥四号”）想传球（信号）给远处的队友（地球），可是你们中间有一个人高马大，长得跟胖虎差不多的对方防守队员（月球球体），为了把球传给对方，你决定“曲线救国”——你把球（信号）传给了远处的另一位队友（中继卫星），由他再把球传给在对手身后的你的队友（地球）。

为执行“嫦娥四号”计划服务的中继卫星名叫“鹊桥”，它已经在2018年5月21日顺利发射升空，并已在地月L2点上准确运行，等待“嫦娥四号”的到来。

（公众号“星空早知道” 供稿）