嫦娥四号为什么要在月球背面登陆？

据新闻媒体报道，我国计划于2020年左右发射嫦娥四号。一旦任务成功，嫦娥四号将成为人类第一艘在月球背面登陆的飞船。

月之暗面

在农历每月十五之夜，一轮圆月高悬于天空。从地球上看去，月球表面的月海、环形山等地貌明暗间，“吴刚伐桂”、“玉兔捣药”等神话传说即来自于古人对这些地貌形态的想象。在之后的一个月中，尽管“月有阴晴圆缺”，但月球却始终将自己的同一面朝向地球，似乎没有旋转。但实际上，月球在公转的同时也在自转。而我们之所以总看到月球的同一面，是因为它的公转周期和自转周期相同，均为27.3天（月相变化的周期为29.5天，多出的2.2天来自于地球绕太阳的公转）。这样，当月球向一个方向自传一定角度后，地球相对于月球的位置会向相同方向移动相同的角度，月球朝向地球的就总会是同一面了。

这种现象的形成并非出于偶然，而是来自于地球对月球的潮汐锁定。月球在公转过程中，受到地球的万有引力并不均匀。靠近地球的一侧，万有引力大于公转的离心力，处于这侧的岩石被拉伸，向靠近地球的方向隆起。在远离地球的一侧，受力情况相反，岩石向远离地球的方向隆起。当月球的公转速度和自传速度不同时，由潮汐力引起的隆起位置会不断改改变，但隆起位置的改变始终跟不上地球与月球中心连线方向的变化。在这个过程中，潮汐力将改变月球的自转速度，最终使得月球的自传和公转周期相同，潮汐力引起的隆起始终处于地月中心的连线上。

在潮汐锁定的作用下，人们难以在地球上一睹月球背面的神秘面容，“月之暗面”（dark side of the moon）成为月球背面的别名。有人甚至想象过，月之暗面上存在着外星人的秘密基地或是敌对国家的核武器库。但事实上，月之暗面并不是一个特别准确的称呼。除了满月的那天，月之暗面和月球的其他部分一样，也能被太阳照射到。1959年，苏联发射的月球2号探测器第一次拍摄了月球背面的图像。随后，苏联、美国发射多艘飞船对月球进行全球探测，阿波罗8号和之后登月的宇航员们更用肉眼看到了月之暗面的独特景象：这里一片荒凉，没有秘密基地。这里见不到月球正面广泛存在的平坦的月海，取而代之的是密密麻麻、大小不一的撞击坑。（下图中，左图为月球正面，右图为月球背面）

替补队员的新使命

当我们的家用电器出现故障时，可以从容的请维修人员解决。但航天器一旦发射到太空中后，很难在其出现故障时派航天员修理。一艘航天器一般耗资巨大，凝结着许多科技人员数年的心血。因此，提高可靠性、降低故障率是航天工程实施的重中之重。提高可靠性的一个方式是冗余备份。卫星上搭载的关键器件，可能要同时安装好几个。这样，如果一个器件出现故障，另一个器件可以立即替换上去，保证系统连续、稳定工作。而即将成为嫦娥四号的那颗卫星，本来是嫦娥三号先导星的冗余备份。它是和先导星一模一样的“替补队员”，一旦先导星在发射前的测试中出现故障，它将接替先导星来完成计划中的工作。

在嫦娥三号取得工程意义上的成功后，科学家们为这位替补队员安排了新的任务：在月球背面着陆。

人类对月球背面的认识远不如月球正面全面。虽然人类对月球背面已经有过许多次探测，但那些探测都是由环绕月球飞行的飞船完成的，还从来没有哪艘探测器真正在月球背面着陆过。随阿波罗17号完成人类最后一次登月的宇航员兼地质学家哈里森·施密特曾经向NASA提议，发射一艘新飞船，载宇航员到月球背面的齐奥尔科夫斯基撞击坑着陆，在那里展开探测。遗憾的是，实现施密特的建议不但需要登月飞船，还需要一颗月球中继通信卫星。在当时的技术条件下，这样的计划风险高、耗资大，因此被NASA拒绝。如果嫦娥四号成功着陆，美国科学家的愿望将由中国的探测器实现，人类在太空探索中的疆域也将由我们的探测器向前拓展。

着陆月球背面：挑战与机遇

在月球背面飞行的飞船，由于月球的遮挡，不能和地球直接进行无线电通信，地面控制系统的测控信号不能直接传输的飞船上。如果是一艘环绕月球飞行但不着陆的飞船，在测控信号中断的过程中，可以保持原来的状态继续飞行。然而对于一艘要在月球背面着陆的飞船，通信却是不能中断的：地面的控制系统要不断的监测飞船的状态、发送控制命令，以使飞船稳稳当当的在计划好的区域着陆。通信问题是嫦娥四号任务最大的挑战。按照国外深空探测任务的经验看，一般会预先发射一颗通信中继卫星，由它在合适的位置转发信号，覆盖地球直接发射的无线电所不能到达的区域。在“神舟”飞船执行载人航天任务时，我国的“天链”系列中继卫星曾经大展身手，在飞船飞过地面测控信号的盲区时，为飞船提供通信保障。航天员王亚平在神舟十号上进行太空授课的过程中，一部分视频信号就是靠天链卫星传递的。这表明我国已经成熟掌握了卫星中继通信技术，极有希望应用于探月工程中。

氦-3是氦元素的一种同位素。它可以和氢的同位素氘发生核聚变反应释放能量，是一种高效的核反应原料。据估计，如果核反应释放的能量完全转化为电能，那么所有美国家庭在2001年所使用电能只需消耗16.7吨氦-3来产生。地球上氦3的储量比较小，而月球背面的氦3储量则比较丰富。这是因为太阳风在吹拂月球背面时不会被地球遮挡，太阳风中的氦3可以充分的沉积在月球背面的月壤中。嫦娥四号在月球背面登陆后，将有机会详细的探测月球背面月壤的性质，为今后月球资源的开发打下基础。

欣赏古典音乐时，需要一个比较安静的环境，使乐曲的细节不被噪音湮没。天文学家们利用射电望远观测天体，镜聆听宇宙天体用电磁波构成的“交响乐”时，也希望能够处在宁静的电磁环境中，避开其他电磁波信号的干扰。在月球背面，月球像一面隔音墙，挡住了地球的各种干扰信号，从而可以获得在地面和近地轨道上所不能获得的观测质量，帮助科学家了解宇宙、恒星起源和黑洞演化的规律。嫦娥四号计划在月球背面架设射电望远镜和射电频谱仪，来实现月球背面的射电天文观测。值得注意的是，美国科学家也在紧锣密鼓的进行这方面的研究，克罗拉多大学领导的LUNAR计划已经开始为月球的射电观测做准备。嫦娥四号能否争得先机，还需拭目以待。

发表于 2015-09-17 00:00
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