人類(lèi)探測(cè)器首次在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸——說(shuō)說(shuō)通信中繼與嫦娥4號(hào)月球背面著陸

新年伊始，備受關(guān)注的嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器，承載著全人類(lèi)的好奇心，從距離月球表面15公里處實(shí)施下降，她一邊對(duì)著月球拍照，一邊不斷調(diào)整速度和姿態(tài)。用了11分鐘，自主軟著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮?卡門(mén)撞擊坑內(nèi)，這是人類(lèi)探測(cè)器首次在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸，意味著月球那自古就不曾以真面目示人的背后的一面終于近距離呈現(xiàn)在全人類(lèi)眼前。

其實(shí)，除了此次成功著陸的著陸器以及她搭載的巡視器，嫦娥四號(hào)系統(tǒng)里還有一個(gè)至關(guān)重要的角色——那就是2018年5月21日發(fā)射升空的人類(lèi)歷史上第一顆地球軌道外專(zhuān)用中繼通信衛(wèi)星——“鵲橋”。可以說(shuō)，沒(méi)有它，這次對(duì)月球背面的探測(cè)無(wú)從談起。為什么需要多了這么一個(gè)先行者呢？且聽(tīng)小墨慢慢道來(lái)。

神秘古老的“月之暗面”

熟悉地月知識(shí)的你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)“潮汐鎖定”這個(gè)詞。它是什么意思呢？在地球和月球億萬(wàn)年互通款曲的過(guò)程中，月球靠近地球的部分與遠(yuǎn)離地球的部分感受到的引力是不完全一樣的，這種引力不平衡產(chǎn)生的“撕扯”將月球拉扯成一個(gè)不那么圓的形狀，在月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)過(guò)程中，地球不平衡的引力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力矩。最終，在億萬(wàn)年的“磨合”下，月球的自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期趨向于基本一致，所以月球便總以同一面目面向地球，而背面的80-90%從不曾進(jìn)入人類(lèi)的視野。

一直以來(lái)，月球朝向茫茫宇宙的神秘的另一面始終能激起人們無(wú)數(shù)的想象，在很多科幻小說(shuō)家的筆下，月球背面被叫做“月之暗面”，它似乎是外星文明最好的隱蔽之處。人們幻想著，也許在那不為人知的一面，也有著古老悠遠(yuǎn)的文明痕跡和生生不息的“人類(lèi)”。

上個(gè)世紀(jì)五十年代開(kāi)始，隨著人類(lèi)逐步進(jìn)入太空，逐漸想要將目光對(duì)準(zhǔn)更深邃的太空，其中，也包括“月之暗面”。

1959年10月7日，蘇聯(lián)Luna3號(hào)探測(cè)器成功傳回了人類(lèi)歷史上第一張?jiān)虑虮趁鎴D片，人類(lèi)第一次一窺月球背面粗略的地質(zhì)面貌；1962 年 4 月 26 日，美國(guó)“徘徊者 4 號(hào)”探測(cè)器成為首個(gè)在月球背面硬著陸的探測(cè)器，但并未傳回任何數(shù)據(jù)；1968年12月，執(zhí)行阿波羅8號(hào)任務(wù)的三名宇航員第一次用肉眼觀測(cè)到月球背面的樣子；2010年 12 月 21 日，NASA 的“月球勘測(cè)軌道器”拍攝到了一組細(xì)節(jié)精度前所未有的月球背面照片。

長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的冒險(xiǎn)歷程，足以展示人們對(duì)月之暗面的渴望?？墒菫槭裁雌駷橹惯€沒(méi)有宇航員或月球車(chē)登上月球的背面，對(duì)月球背面進(jìn)行直接的勘探、觀測(cè)和研究呢？

除了月球背面的復(fù)雜地形地貌、特殊的環(huán)境對(duì)登月和巡月提出巨大考驗(yàn)之外，最重要的問(wèn)題在于通信信號(hào)傳輸。

月球背面的通信

我們可以先看看不久之前美國(guó)火星探測(cè)器“洞察”號(hào)面臨的情況。

將近兩個(gè)月前，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的火星探測(cè)器“洞察”號(hào)經(jīng)過(guò)6個(gè)月的太空旅程，航行4.84億公里，終于成功著陸于火星赤道以北的艾利希平原。要知道人類(lèi)幾十年里雖然已經(jīng)發(fā)射了40多個(gè)火星探測(cè)器，但成功率只有一半，其中的主要原因就是火星距離地球非常遙遠(yuǎn)，最近的距離也有5000萬(wàn)公里。2018年適合探測(cè)火星就是因?yàn)榫嚯x火星比較近，大約只有5760萬(wàn)公里，此時(shí)通信延遲也有將近4分鐘。

可以說(shuō)宇宙探索就是空間與時(shí)間的藝術(shù)，無(wú)論是月球還是火星探測(cè)，遙遠(yuǎn)的距離導(dǎo)致探測(cè)器需要飛行很長(zhǎng)時(shí)間，通信的延遲非常大，這就對(duì)探測(cè)器的發(fā)射入軌精度、自主控制、能源等技術(shù)提出了苛刻的要求。對(duì)于火星，如果入軌精度低，在地火轉(zhuǎn)移軌道每秒1米的速度差就會(huì)導(dǎo)致抵達(dá)火星時(shí)位置誤差超過(guò)10萬(wàn)公里。而通信延遲4分鐘意味著如果探測(cè)器遇到一個(gè)問(wèn)題，我們收到信號(hào)已經(jīng)至少是4分鐘以后，就算立即做出反應(yīng)，探測(cè)器再收到也是8分鐘以后的事了，考慮到探測(cè)器的速度極快，這種情況下，遠(yuǎn)程控制是不現(xiàn)實(shí)的，探測(cè)器必須具有很強(qiáng)的自主控制能力。嫦娥4號(hào)遇到問(wèn)題稍好一些，但是單程的通信延遲至少也有12.7s，問(wèn)題同樣嚴(yán)重。

比通信延遲更讓工程師發(fā)瘋的問(wèn)題是遮擋。由于探測(cè)器在月球背面無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)與地球的測(cè)控通信和數(shù)據(jù)傳輸，所以，別說(shuō)探測(cè)了，連精準(zhǔn)著陸過(guò)程中必須的測(cè)控通信都成問(wèn)題。NASA的洞察號(hào)著陸火星，在關(guān)鍵的的著陸階段，同樣由于遮擋，探測(cè)器沒(méi)法和地球之間通信，所以在洞察號(hào)發(fā)射的同時(shí)，火箭還攜帶了兩個(gè)立方星，名字分別叫做“瓦力”（Wall-E）和“伊娃”（Eva），它們互為備份，提供中繼通信服務(wù)。

○“瓦力”（Wall-E）和“伊娃”（Eva）

這兩個(gè)立方星真的很小，尺寸只有30*20*10cm，看上去和一個(gè)衛(wèi)星模型差不多。從洞察號(hào)到立方星使用的是通信頻率是UHF，這個(gè)頻段其實(shí)就是我們常使用的對(duì)講機(jī)頻率。從立方星到地球使用X頻段，7-8kHz，通信速率8kbps。這個(gè)數(shù)據(jù)速率非常低，傳輸一張你的手機(jī)照片大概要10分鐘時(shí)間。

嫦娥四號(hào)遇到的情況和洞察號(hào)非常類(lèi)似，不過(guò)情況要更加苛刻。因?yàn)楫吘苟床焯?hào)主要是在著陸階段需要通信中繼服務(wù)，而嫦娥四號(hào)要到月球背面著陸并長(zhǎng)期工作，月球由于被地球潮汐鎖定，背面對(duì)地球不可見(jiàn)，所以通信信號(hào)始終是被遮擋的，完全無(wú)法和地球直接通信。

其實(shí)，早在阿波羅載人登月計(jì)劃中，美國(guó)曾經(jīng)考慮過(guò)在月球背面進(jìn)行著陸，為此，NASA考慮過(guò)用中繼衛(wèi)星幫助通信的方案，但后來(lái)由于難度太大，經(jīng)費(fèi)不足而放棄。那么，將中繼衛(wèi)星安放在哪里呢？科學(xué)家想到了拉格朗日點(diǎn)。

說(shuō)起拉格朗日點(diǎn)，還和近幾年家喻戶曉的科幻小說(shuō)《三體》有點(diǎn)關(guān)系。如果你在書(shū)里面看過(guò)三體人動(dòng)蕩不安的生活，一定對(duì)三體問(wèn)題的復(fù)雜和難解記憶猶新。是的，一般意義上的三體問(wèn)題是沒(méi)有解析解的，但是對(duì)于所謂的限制性三體問(wèn)題，也就是其中兩個(gè)天體質(zhì)量很大，另一個(gè)質(zhì)量和體積與兩個(gè)大天體相比能夠忽略不計(jì)時(shí)，這個(gè)問(wèn)題可以解。小物體在兩個(gè)大物體的作用下，在某些點(diǎn)將保持相對(duì)靜止，所以這個(gè)點(diǎn)被稱(chēng)為平動(dòng)點(diǎn)。大數(shù)學(xué)家歐拉最先在1767年找到了其中的三個(gè)解。1772年，拉格朗日又寫(xiě)了一篇文章，名字就叫做《論三體問(wèn)題》，給出了剩余的兩個(gè)解。于是這五個(gè)特殊的平動(dòng)點(diǎn)從此也被稱(chēng)為拉格朗日點(diǎn)。

○拉格朗日點(diǎn)。

對(duì)于地月系統(tǒng)，L1點(diǎn)很適合建立空間站，作為地月往返運(yùn)輸?shù)慕煌屑~。L2點(diǎn)在地月延長(zhǎng)線上月球一側(cè)，如果在這里部署一顆通信中繼衛(wèi)星，那么顯然這顆衛(wèi)星將相對(duì)地球和月球靜止，維持軌道位置所需的燃料極少，可以長(zhǎng)期工作；同時(shí)由于沒(méi)有天體遮擋，所以日照條件完美，可以保證天陽(yáng)能電池持續(xù)工作。當(dāng)然，把衛(wèi)星穩(wěn)定在L2點(diǎn)也不行，因?yàn)閷?duì)地球的通信將被月球遮擋，但如果將一顆衛(wèi)星打到月球遠(yuǎn)端的L2點(diǎn)附近，我們可以通過(guò)軌道控制，很容易地令衛(wèi)星圍繞L2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

遺憾的是，當(dāng)時(shí)因?yàn)槌杀镜确N種原因，這種背面著陸的登月方案沒(méi)有能夠付諸實(shí)施。而如今的嫦娥四號(hào)，計(jì)劃將中繼衛(wèi)星方案變成現(xiàn)實(shí)。

在嫦娥四號(hào)的完整計(jì)劃里，中國(guó)的科學(xué)家和工程師們首先于2018年5月21日發(fā)射了一顆名叫鵲橋的通信中繼衛(wèi)星。為了保證嫦娥四號(hào)任務(wù)的完成，鵲橋經(jīng)過(guò)多次變軌后，它進(jìn)入環(huán)繞地月拉格朗日L2點(diǎn)的暈輪軌道，該軌道距離L2點(diǎn)上空大約1.2萬(wàn)km。拉格朗日點(diǎn)是地球和月亮的引力平衡點(diǎn)，在那里由于引力平衡，所以航天器可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保持和地球及月亮的相對(duì)關(guān)系不變，這樣就可以穩(wěn)定的提供通信中繼服務(wù)。

○中繼星

今天嫦娥4號(hào)成功軟著陸月球背面，為了保證能源，特意選擇在月晝。過(guò)幾天進(jìn)入月夜，著陸器望向天空，雖然看不到地球，但可以看到鵲橋就如燈塔一般掛在暗黑色的星空之上。

大塊頭的“鵲橋”

那么我們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的問(wèn)題，為什么不像NASA那樣只用一個(gè)很小的立方星，而是要專(zhuān)門(mén)提前發(fā)射一個(gè)巨大的鵲橋通信中繼星呢？原因除了上面已經(jīng)提到的，洞察號(hào)的通信中繼服務(wù)主要針對(duì)關(guān)鍵的入軌、下降和著陸階段，而鵲橋至少需要工作一年以上，以保障嫦娥4號(hào)著陸器達(dá)到6個(gè)月的設(shè)計(jì)壽命。另一個(gè)原因是雖然火星距離遙遠(yuǎn)，但美國(guó)有一個(gè)全世界最強(qiáng)大的深空通信網(wǎng)，也就是Deep SapceNeework (DSN)。DSN就是NASA探測(cè)宇宙的眼睛，在地球上間隔120度部署了3座規(guī)模巨大的測(cè)控天線，一個(gè)位于加州Mojave沙漠的Goldstone，另一個(gè)位于西班牙馬德里附近，還有一個(gè)位于澳大利亞堪培拉。

○Deep SapceNeework(DSN)

談到通信，就一定是收發(fā)兩部分，發(fā)射能力強(qiáng)一些，則接受能力就可以弱一些，反之亦然。具體工程上如何取舍，則要看工程實(shí)現(xiàn)的難易程度，通常因?yàn)楹教炱鞯?a target="_blank">天線很難做的很大，所以就需要把地面的天線盡量做大一些。

因此，雖然NASA運(yùn)行在火星軌道的立方星很小，能力很弱，但是地球上的DSN通信天線口徑達(dá)到了70m，這是一個(gè)相當(dāng)驚人的數(shù)字，要知道國(guó)際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)的寬度也不過(guò)68m。70m口徑的天線可以把信號(hào)放大10 000 000倍。

○DSN在美國(guó)加州Goldstone的70m通信天線

但是中國(guó)并沒(méi)有如此強(qiáng)大的深空通信天線。為了開(kāi)展深空探測(cè)，我國(guó)在中國(guó)東部、西部和南美洲設(shè)計(jì)了3額深空測(cè)控站，佳木斯林海深空測(cè)控站有一副66m天線，喀什有一副35m天線，但是這比DSN要弱一些，不過(guò)已經(jīng)能夠滿足4億公里火星探測(cè)的基本要求。

○佳木斯林海深空測(cè)控站 | 來(lái)源：中國(guó)軍網(wǎng)

○佳木斯林海深空測(cè)控站 | 來(lái)源：科普中國(guó)

和NASA的洞察號(hào)中繼通信任務(wù)另一個(gè)不同點(diǎn)是，嫦娥4號(hào)需要更高的通信速率，以便傳輸著陸器和巡視器的各種科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不只是傳輸關(guān)鍵段的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。鵲橋和著陸器的最高通信速率可以達(dá)到560kbps，這是洞察號(hào)通信中繼速率的70倍。因此，為了彌補(bǔ)地面系統(tǒng)的不足和達(dá)到更高的通信速率，就需要把鵲橋的通信天線盡量做大一些，達(dá)到了直徑4.2m，這是人類(lèi)深空探測(cè)器史上最大口徑的通信天線。

“鵲橋”的工作速寫(xiě)

在這次嫦娥4號(hào)月球背面著陸過(guò)程中，信號(hào)先從著陸器發(fā)射到鵲橋中繼星上，然后再傳回佳木斯林海深空測(cè)控站，之后再通過(guò)地面光纖或者其它通信鏈路傳輸?shù)奖本┲缚?a target="_blank">中心。

○嫦娥三號(hào)和四號(hào)動(dòng)力下降過(guò)程對(duì)比（圖源：李飛等）

在嫦娥4號(hào)下降過(guò)程中，會(huì)把中等增益天線逐步指向鵲橋中繼星，這樣就可以回傳降落相機(jī)拍攝的照片，但是由于通信速率不夠，所以只能傳輸抽幀后的數(shù)據(jù)。

著陸后，著陸器上的定向天線就可以展開(kāi)，對(duì)準(zhǔn)鵲橋，那時(shí)候通信速率就大多了，這時(shí)候地面就可以收到全景相機(jī)拍攝的照片，然后由早就期盼已久的團(tuán)隊(duì)立即處理，得到今天廣為傳播的人類(lèi)第一張近距離月球背面照片。

○近距離月球背面照片

當(dāng)巡視器分離，登錄月球表面之后，會(huì)直接和鵲橋通信，從而與地球指控中心建立鏈路。

○嫦娥四號(hào)巡視器 | 來(lái)源：航天面面觀

在嫦娥4號(hào)月球背面著陸過(guò)程中，新華社記者在北京航天指揮控制中心拍到一張合影，葉培建院士與嫦娥4號(hào)探測(cè)器項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張熇在一起慶祝的合影。這讓我們想起鵲橋中極星2018年7月14日在地月拉格朗日L2點(diǎn)附近給地球和月亮拍攝的一張合影。

○兩代“嫦娥人”慶祝嫦娥4號(hào)軟著陸成功 | 來(lái)源：新華社

○鵲橋拍攝的地月合影

人類(lèi)最害怕的就是孤獨(dú)，但我們?nèi)祟?lèi)卻有非?？赡苁沁@個(gè)宇宙中最孤獨(dú)的存在，所以合影總是更動(dòng)人。我們到月球背面去，不是人類(lèi)知道那里有什么，而恰恰是因?yàn)槲覀儗?duì)那里所知甚少，這就是探索的意義。

展望未來(lái)，中國(guó)深空探測(cè)還將繼續(xù)前進(jìn)，月球背面是人類(lèi)首創(chuàng)，但并不是結(jié)束。鵲橋可以長(zhǎng)期為月球探測(cè)服務(wù)，而中國(guó)航天的目標(biāo)更遠(yuǎn)大。