嫦娥四號為什麼要在月球背面登陸？

據新聞媒體報道，我國計劃於2020年左右發射嫦娥四號。一旦任務成功，嫦娥四號將成為人類第一艘在月球背面登陸的飛船。

月之暗面

在農曆每月十五之夜，一輪圓月高懸於天空。從地球上看去，月球表面的月海、環形山等地貌明暗間，「吳剛伐桂」、「玉兔搗葯」等神話傳說即來自於古人對這些地貌形態的想像。在之後的一個月中，儘管「月有陰晴圓缺」，但月球卻始終將自己的同一面朝向地球，似乎沒有旋轉。但實際上，月球在公轉的同時也在自轉。而我們之所以總看到月球的同一面，是因為它的公轉周期和自轉周期相同，均為27.3天（月相變化的周期為29.5天，多出的2.2天來自於地球繞太陽的公轉）。這樣，當月球向一個方向自傳一定角度後，地球相對於月球的位置會向相同方向移動相同的角度，月球朝向地球的就總會是同一面了。

這種現象的形成並非出於偶然，而是來自於地球對月球的潮汐鎖定。月球在公轉過程中，受到地球的萬有引力並不均勻。靠近地球的一側，萬有引力大於公轉的離心力，處於這側的岩石被拉伸，向靠近地球的方向隆起。在遠離地球的一側，受力情況相反，岩石向遠離地球的方向隆起。當月球的公轉速度和自傳速度不同時，由潮汐力引起的隆起位置會不斷改改變，但隆起位置的改變始終跟不上地球與月球中心連線方向的變化。在這個過程中，潮汐力將改變月球的自轉速度，最終使得月球的自傳和公轉周期相同，潮汐力引起的隆起始終處於地月中心的連線上。

在潮汐鎖定的作用下，人們難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）成為月球背面的別名。有人甚至想像過，月之暗面上存在著外星人的秘密基地或是敵對國家的核武器庫。但事實上，月之暗面並不是一個特別準確的稱呼。除了滿月的那天，月之暗面和月球的其他部分一樣，也能被太陽照射到。1959年，蘇聯發射的月球2號探測器第一次拍攝了月球背面的圖像。隨後，蘇聯、美國發射多艘飛船對月球進行全球探測，阿波羅8號和之後登月的宇航員們更用肉眼看到了月之暗面的獨特景象：這裡一片荒涼，沒有秘密基地。這裡見不到月球正面廣泛存在的平坦的月海，取而代之的是密密麻麻、大小不一的撞擊坑。（下圖中，左圖為月球正面，右圖為月球背面）

替補隊員的新使命

當我們的家用電器出現故障時，可以從容的請維修人員解決。但航天器一旦發射到太空中後，很難在其出現故障時派航天員修理。一艘航天器一般耗資巨大，凝結著許多科技人員數年的心血。因此，提高可靠性、降低故障率是航天工程實施的重中之重。提高可靠性的一個方式是冗餘備份。衛星上搭載的關鍵器件，可能要同時安裝好幾個。這樣，如果一個器件出現故障，另一個器件可以立即替換上去，保證系統連續、穩定工作。而即將成為嫦娥四號的那顆衛星，本來是嫦娥三號先導星的冗餘備份。它是和先導星一模一樣的「替補隊員」，一旦先導星在發射前的測試中出現故障，它將接替先導星來完成計劃中的工作。

在嫦娥三號取得工程意義上的成功後，科學家們為這位替補隊員安排了新的任務：在月球背面著陸。

人類對月球背面的認識遠不如月球正面全面。雖然人類對月球背面已經有過許多次探測，但那些探測都是由環繞月球飛行的飛船完成的，還從來沒有哪艘探測器真正在月球背面著陸過。隨阿波羅17號完成人類最後一次登月的宇航員兼地質學家哈里森·施密特曾經向NASA提議，發射一艘新飛船，載宇航員到月球背面的齊奧爾科夫斯基撞擊坑著陸，在那裡展開探測。遺憾的是，實現施密特的建議不但需要登月飛船，還需要一顆月球中繼通信衛星。在當時的技術條件下，這樣的計劃風險高、耗資大，因此被NASA拒絕。如果嫦娥四號成功著陸，美國科學家的願望將由中國的探測器實現，人類在太空探索中的疆域也將由我們的探測器向前拓展。

著陸月球背面：挑戰與機遇

在月球背面飛行的飛船，由於月球的遮擋，不能和地球直接進行無線電通信，地面控制系統的測控信號不能直接傳輸的飛船上。如果是一艘環繞月球飛行但不著陸的飛船，在測控信號中斷的過程中，可以保持原來的狀態繼續飛行。然而對於一艘要在月球背面著陸的飛船，通信卻是不能中斷的：地面的控制系統要不斷的監測飛船的狀態、發送控制命令，以使飛船穩穩噹噹的在計劃好的區域著陸。通信問題是嫦娥四號任務最大的挑戰。按照國外深空探測任務的經驗看，一般會預先發射一顆通信中繼衛星，由它在合適的位置轉發信號，覆蓋地球直接發射的無線電所不能到達的區域。在「神舟」飛船執行載人航天任務時，我國的「天鏈」系列中繼衛星曾經大展身手，在飛船飛過地面測控信號的盲區時，為飛船提供通信保障。航天員王亞平在神舟十號上進行太空授課的過程中，一部分視頻信號就是靠天鏈衛星傳遞的。這表明我國已經成熟掌握了衛星中繼通信技術，極有希望應用於探月工程中。

氦-3是氦元素的一種同位素。它可以和氫的同位素氘發生核聚變反應釋放能量，是一種高效的核反應原料。據估計，如果核反應釋放的能量完全轉化為電能，那麼所有美國家庭在2001年所使用電能只需消耗16.7噸氦-3來產生。地球上氦3的儲量比較小，而月球背面的氦3儲量則比較豐富。這是因為太陽風在吹拂月球背面時不會被地球遮擋，太陽風中的氦3可以充分的沉積在月球背面的月壤中。嫦娥四號在月球背面登陸後，將有機會詳細的探測月球背面月壤的性質，為今後月球資源的開發打下基礎。

欣賞古典音樂時，需要一個比較安靜的環境，使樂曲的細節不被噪音湮沒。天文學家們利用射電望遠觀測天體，鏡聆聽宇宙天體用電磁波構成的「交響樂」時，也希望能夠處在寧靜的電磁環境中，避開其他電磁波信號的干擾。在月球背面，月球像一面隔音牆，擋住了地球的各種干擾信號，從而可以獲得在地面和近地軌道上所不能獲得的觀測質量，幫助科學家了解宇宙、恆星起源和黑洞演化的規律。嫦娥四號計劃在月球背面架設射電望遠鏡和射電頻譜儀，來實現月球背面的射電天文觀測。值得注意的是，美國科學家也在緊鑼密鼓的進行這方面的研究，克羅拉多大學領導的LUNAR計劃已經開始為月球的射電觀測做準備。嫦娥四號能否爭得先機，還需拭目以待。

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