新年伊始，備受關(guān)注的嫦娥四號月球探測器，承載著全人類的好奇心，從距離月球表面15公里處實施下降，她一邊對著月球拍照，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?卡門撞擊坑內(nèi)，這是人類探測器首次在月球背面實現(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)在全人類眼前。

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

神秘古老的“月之暗面”

熟悉地月知識的你可能聽說過“潮汐鎖定”這個詞。它是什么意思呢？在地球和月球億萬年互通款曲的過程中，月球靠近地球的部分與遠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”將月球拉扯成一個不那么圓的形狀，在月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)過程中，地球不平衡的引力會產(chǎn)生一個力矩。最終，在億萬年的“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%從不曾進入人類的視野。

一直以來，月球朝向茫茫宇宙的神秘的另一面始終能激起人們無數(shù)的想象，在很多科幻小說家的筆下，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，也有著古老悠遠的文明痕跡和生生不息的“人類”。

上個世紀五十年代開始，隨著人類逐步進入太空，逐漸想要將目光對準(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號探測器成功傳回了人類歷史上第一張月球背面圖片，人類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“徘徊者 4 號”探測器成為首個在月球背面硬著陸的探測器，但并未傳回任何數(shù)據(jù)；1968年12月，執(zhí)行阿波羅8號任務(wù)的三名宇航員第一次用肉眼觀測到月球背面的樣子；2010年 12 月 21 日，NASA 的“月球勘測軌道器”拍攝到了一組細節(jié)精度前所未有的月球背面照片。

長達半個世紀的冒險歷程，足以展示人們對月之暗面的渴望。可是為什么迄今為止還沒有宇航員或月球車登上月球的背面，對月球背面進行直接的勘探、觀測和研究呢？

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

月球背面的通信

我們可以先看看不久之前美國火星探測器“洞察”號面臨的情況。

將近兩個月前，美國國家航空航天局（NASA）的火星探測器“洞察”號經(jīng)過6個月的太空旅程，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。要知道人類幾十年里雖然已經(jīng)發(fā)射了40多個火星探測器，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，最近的距離也有5000萬公里。2018年適合探測火星就是因為距離火星比較近，大約只有5760萬公里，此時通信延遲也有將近4分鐘。

可以說宇宙探索就是空間與時間的藝術(shù)，無論是月球還是火星探測，遙遠的距離導(dǎo)致探測器需要飛行很長時間，通信的延遲非常大，這就對探測器的發(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米的速度差就會導(dǎo)致抵達火星時位置誤差超過10萬公里。而通信延遲4分鐘意味著如果探測器遇到一個問題，我們收到信號已經(jīng)至少是4分鐘以后，就算立即做出反應(yīng)，探測器再收到也是8分鐘以后的事了，考慮到探測器的速度極快，這種情況下，遠程控制是不現(xiàn)實的，探測器必須具有很強的自主控制能力。嫦娥4號遇到問題稍好一些，但是單程的通信延遲至少也有12.7s，問題同樣嚴重。

比通信延遲更讓工程師發(fā)瘋的問題是遮擋。由于探測器在月球背面無法直接實現(xiàn)與地球的測控通信和數(shù)據(jù)傳輸，所以，別說探測了，連精準(zhǔn)著陸過程中必須的測控通信都成問題。NASA的洞察號著陸火星，在關(guān)鍵的的著陸階段，同樣由于遮擋，探測器沒法和地球之間通信，所以在洞察號發(fā)射的同時，火箭還攜帶了兩個立方星，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）

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

嫦娥四號遇到的情況和洞察號非常類似，不過情況要更加苛刻。因為畢竟洞察號主要是在著陸階段需要通信中繼服務(wù)，而嫦娥四號要到月球背面著陸并長期工作，月球由于被地球潮汐鎖定，背面對地球不可見，所以通信信號始終是被遮擋的，完全無法和地球直接通信。

其實，早在阿波羅載人登月計劃中，美國曾經(jīng)考慮過在月球背面進行著陸，為此，NASA考慮過用中繼衛(wèi)星幫助通信的方案，但后來由于難度太大，經(jīng)費不足而放棄。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。

說起拉格朗日點，還和近幾年家喻戶曉的科幻小說《三體》有點關(guān)系。如果你在書里面看過三體人動蕩不安的生活，一定對三體問題的復(fù)雜和難解記憶猶新。是的，一般意義上的三體問題是沒有解析解的，但是對于所謂的限制性三體問題，也就是其中兩個天體質(zhì)量很大，另一個質(zhì)量和體積與兩個大天體相比能夠忽略不計時，這個問題可以解。小物體在兩個大物體的作用下，在某些點將保持相對靜止，所以這個點被稱為平動點。大數(shù)學(xué)家歐拉最先在1767年找到了其中的三個解。1772年，拉格朗日又寫了一篇文章，名字就叫做《論三體問題》，給出了剩余的兩個解。于是這五個特殊的平動點從此也被稱為拉格朗日點。

○拉格朗日點。

對于地月系統(tǒng)，L1點很適合建立空間站，作為地月往返運輸?shù)慕煌屑~。L2點在地月延長線上月球一側(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)星將相對地球和月球靜止，維持軌道位置所需的燃料極少，可以長期工作；同時由于沒有天體遮擋，所以日照條件完美，可以保證天陽能電池持續(xù)工作。當(dāng)然，把衛(wèi)星穩(wěn)定在L2點也不行，因為對地球的通信將被月球遮擋，但如果將一顆衛(wèi)星打到月球遠端的L2點附近，我們可以通過軌道控制，很容易地令衛(wèi)星圍繞L2點旋轉(zhuǎn)。

遺憾的是，當(dāng)時因為成本等種種原因，這種背面著陸的登月方案沒有能夠付諸實施。而如今的嫦娥四號，計劃將中繼衛(wèi)星方案變成現(xiàn)實。

在嫦娥四號的完整計劃里，中國的科學(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。為了保證嫦娥四號任務(wù)的完成，鵲橋經(jīng)過多次變軌后，它進入環(huán)繞地月拉格朗日L2點的暈輪軌道，該軌道距離L2點上空大約1.2萬km。拉格朗日點是地球和月亮的引力平衡點，在那里由于引力平衡，所以航天器可以長期穩(wěn)定運行，保持和地球及月亮的相對關(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號成功軟著陸月球背面，為了保證能源，特意選擇在月晝。過幾天進入月夜，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”

那么我們會產(chǎn)生一個新的問題，為什么不像NASA那樣只用一個很小的立方星，而是要專門提前發(fā)射一個巨大的鵲橋通信中繼星呢？原因除了上面已經(jīng)提到的，洞察號的通信中繼服務(wù)主要針對關(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號著陸器達到6個月的設(shè)計壽命。另一個原因是雖然火星距離遙遠，但美國有一個全世界最強大的深空通信網(wǎng)，也就是Deep SapceNeework (DSN)。DSN就是NASA探測宇宙的眼睛，在地球上間隔120度部署了3座規(guī)模巨大的測控天線，一個位于加州Mojave沙漠的Goldstone，另一個位于西班牙馬德里附近，還有一個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，則要看工程實現(xiàn)的難易程度，通常因為航天器的天線很難做的很大，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通信天線口徑達到了70m，這是一個相當(dāng)驚人的數(shù)字，要知道國際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)足球場的寬度也不過68m。70m口徑的天線可以把信號放大10 000 000倍。

○DSN在美國加州Goldstone的70m通信天線

但是中國并沒有如此強大的深空通信天線。為了開展深空探測，我國在中國東部、西部和南美洲設(shè)計了3額深空測控站，佳木斯林海深空測控站有一副66m天線，喀什有一副35m天線，但是這比DSN要弱一些，不過已經(jīng)能夠滿足4億公里火星探測的基本要求。

○佳木斯林海深空測控站 | 來源：中國軍網(wǎng)

○佳木斯林海深空測控站 | 來源：科普中國

和NASA的洞察號中繼通信任務(wù)另一個不同點是，嫦娥4號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)試驗數(shù)據(jù)，而不只是傳輸關(guān)鍵段的測控數(shù)據(jù)。鵲橋和著陸器的最高通信速率可以達到560kbps，這是洞察號通信中繼速率的70倍。因此，為了彌補地面系統(tǒng)的不足和達到更高的通信速率，就需要把鵲橋的通信天線盡量做大一些，達到了直徑4.2m，這是人類深空探測器史上最大口徑的通信天線。

“鵲橋”的工作速寫

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

○嫦娥三號和四號動力下降過程對比（圖源：李飛等）

在嫦娥4號下降過程中，會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，對準(zhǔn)鵲橋，那時候通信速率就大多了，這時候地面就可以收到全景相機拍攝的照片，然后由早就期盼已久的團隊立即處理，得到今天廣為傳播的人類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，會直接和鵲橋通信，從而與地球指控中心建立鏈路。

○嫦娥四號巡視器 | 來源：航天面面觀

在嫦娥4號月球背面著陸過程中，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號探測器項目負責(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號軟著陸成功 | 來源：新華社

○鵲橋拍攝的地月合影

人類最害怕的就是孤獨，但我們?nèi)祟悈s有非常可能是這個宇宙中最孤獨的存在，所以合影總是更動人。我們到月球背面去，不是人類知道那里有什么，而恰恰是因為我們對那里所知甚少，這就是探索的意義。

展望未來，中國深空探測還將繼續(xù)前進，月球背面是人類首創(chuàng)，但并不是結(jié)束。鵲橋可以長期為月球探測服務(wù)，而中國航天的目標(biāo)更遠大。