人类看不到的月球背面，鹊桥如何为嫦娥四号照亮？

月球是地球上唯一的天然卫星，已经和地球在一起超过45亿年了。它对地轴方向、稳定旋转、周期性潮汐、夜间照明等都有重要意义。可以说，没有月球，地球就不会有今天的样子。

人类永远只能看到月球的“一面”。

由于地球的强大引力，月球也付出了沉重的代价:地球减慢了它的自转周期，使其与地球自转周期完全相同，即潮汐锁定。

在这种效应下，地球上的人类基本上只能看到月球的“正面”，而在月球的天秤效应下只能看到月球“背面”的一小部分(累计极限为18%)(月球的轨道是椭圆形的，轨道上不同点的公转速度不同，月球的自转也相对于地球的轨道面有一定的倾角)。但是总的来说，人类看不到月亮的背面。

人类在地球上永远看不到的月球的正面(左)和背面(右)

即使在载人航天时代，由于月球的整体阻碍，背面也成了地面通信的禁区。在过去的60年里，人类已经发射了100多枚月球探测器，包括65枚月球着陆器，但只有无人轨道飞行器和载人阿波罗8/10/11/12/13/14/15/16/17看到过月球背面，而且没有一枚能够在月球背面着陆。

也正因为如此，关于月球背面的阴谋论和谣言猖獗。外星人基地、纳粹残余、月球家园等。甚至广泛出现在各种科幻作品中，各种各样的解释充满了想象力。月亮的背面甚至被命名为“月亮的黑暗面”(虽然事实上背面可以被太阳照亮，但它是人类看不见的)。

为了实现月球背面的探测、着陆和研究，信号必须在那里传输。目前的计划是中国嫦娥四号着陆信号中继卫星，这是人类历史上的第一颗，目前已经完成。

什么是信号中继卫星？

我相信你也可以这样想:当载人飞船绕地球飞行时，它可以在大约90分钟内绕地球飞行。如果它到达地球的背面，它应该如何接触？

有三种主要方案:

1.网络监测站的全球分布显然是困难的，因为它需要强大的政治影响力来支付全世界的费用，而且海洋也不能建造监测站。

2.建立移动监测站。例如，当火箭发射时，中国7艘王源勘测船中约有2艘将驶入海洋，但每次都驶往地球的另一边显然是不现实的。

3.建立太空信号中继卫星网络。它们在离地面35，786公里的地方运行，并与地球自转同步。只要4颗卫星覆盖整个世界，它们就是“天眼”，但技术难度显然是最高的。

提到的第三种是信号中继卫星，其功能是接收、处理和传输来自其他卫星的信息，换句话说，“卫星中的卫星”。采用这种技术的国家/地区包括美国、俄罗斯、欧洲、中国和日本。然而，目前只有美国和中国能够在完整的工作条件下实现中继卫星通信系统的全球覆盖。

举一个典型的例子。2003年，中国第一次航天飞行杨曼·李伟进入太空。当时，他只能在飞往中国附近的卫星监测站时与地球联系。无论是与国防部长交谈还是问候他的家人，一场五分钟的谈话都必须仓促结束。

王亚萍的讲座是通过天联一号系统进行的(图片来自中国知网)

到2013年神舟10号到达时，王亚萍将能够在太空上51分钟的太空课，在此期间，飞船将绕地球飞行一半。到了神舟11号，景海鹏和陈东已经可以看直播地面电视了。

他们依靠中国的四颗全球信号中继卫星，天空链接1号。

为了嫦娥4号，我们也发射了一颗中继卫星到月球？

为了探测从月球背面发射信号的中继卫星，美国国家航空航天局在20世纪60年代准备阿波罗登月计划时提出了这个方案，但直到任务结束才被批准。目前，最大的应用是在许多火星轨道器中，它们不仅探测火星，还为地面上的漫步者和着陆者传递信号。

到今年年底，嫦娥四号将成为人类历史上第一个登上月球背面的探测器。由于月球挡住了后方，其信号中继卫星需要提前准备，以便为嫦娥四号和玉兔月球车提供信号中继服务，玉兔月球车自然是人类历史上第一颗月球信号中继卫星。

嫦娥四号信号中继卫星有一个直径为4.2m的伞状天线(图为吴等人提供，详见注1)

2018年4月24日，中国国际航空公司将迎来曙光。这颗中继卫星将被命名为“盖桥”。大概，这个名字的故事和起源不需要补充。

然而，与大型天空链接卫星不同，喜鹊桥使用中国空间技术研究所的CAST100卫星平台，这是微型卫星的通用平台。因此，喜鹊桥确实“像喜鹊一样轻”,只含有几百公斤的燃料。

为了在遥远的深空同时稳定地球和月球之间的通信，鹊桥必须位于地球和月球中一个叫拉格朗日两点钟的地方附近，并选择一个独特的光环轨道。此前，嫦娥五号T1测试飞行器已于2014年验证了相关的轨道转移和控制技术。

拉格朗日点也称为平移点。对于两个天体，它们的综合引力效应在这些点(总共5个)达到平衡，因此当航天器在这个位置附近的光环轨道上时，它相对于两个天体几乎是静止的。拉格朗日的两个点是引力平衡点、较小天体之外的点和月球后面的点。因此，选择这一点有三大优势:

A.两个天体一起运动，并处于几乎恒定的几何关系状态；

两个天体的引力是平衡的，卫星需要很少的燃料来维持它们的轨道；

C.没有天体屏蔽，它一直暴露在阳光中，有丰富的太阳能。

中继星与地球和月球的轨道关系(图为吴等人，详见注1)

因此，对于一颗设计寿命为5年的信号中继星来说，它可以很容易地在这个轨道上稳定几十年，这足以让中国的学者甚至叶培建提出并帮助其他国家在月球背面执行类似的任务。

2018年底，当嫦娥四号到达月球背面时，鹊桥“天眼”将完成指令传输、信号转发、数据下载等功能，成为连接地球和月球的“鹊桥”。

中继卫星实现地月信号传输的链路(图片来源于吴等人，详见注1)

与此同时，中继星还携带了一个激光反射器，以验证中国的超远距离激光测距技术。2018年1月27日，中国刚刚实现了对地月距离的激光测距，中继星将把这一距离再增加约8万公里(地球到月球的最远距离为40万公里)。

由于长征四号丙火箭仍有一定的发射能力，本次任务还将携带两颗编队飞行的超长波天文观测微型卫星进行天文干涉测量实验。他们可以利用月球几乎不受地球干扰的事实来实现更纯粹的观测。这也是人类第一次以这种方式观察宇宙。

由两颗卫星组成的“太空天文台”(图片来自张进秀等人，详见注2)

在最近的太空日，中国也宣布了两颗卫星的命名。该卫星的主要设计团队来自黑龙江省哈尔滨工业大学。他们的名字“龙江一号”和“龙江二号”的由来必须让每个人都清楚。

中国制造，不仅是照亮月亮背面的“天眼”，而且是连接地球和月亮的“鹊桥”。祝嫦娥四号圆满成功！

注意:

1.本文中的吴等人都引用了该刊的文章:吴、、唐玉华等人。“嫦娥四号”月球背面软着陆任务设计”著.深空探测杂志，2017，4(2):11117。

2.本文引用了张进秀、陈、等的文章。月球轨道形成超长波天文观测微卫星任务[。深空探测杂志，2017，4(2):158-165。

3.第一个完整的月球信号中继方案由3。美国宇航局可以在以下文章中找到:法夸尔，西(1972)。光环轨道月球站。

(本文中显示的图片均经过授权)