为什么美国、苏联都“不屑”去月球背面，中国偏要成为登陆第一国？
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来源：广东共青团
本文转载自微信公众号“科学大院”（ID：kexuedayuan）、“SELF格致论道讲坛”（ID：SELFtalks）、瞭望智库（ID：zhczyj）。
2018年12月8日2时23分，中国嫦娥四号探测器从西昌卫星发射中心成功起飞，开始踏上奔向月球的旅程。
根据新华社消息，2019年1月3日10时26分，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内，实现人类探测器首次在月球背面软着陆。
但网上也有网友提出质疑：
真的是这样吗？
嫦娥四号着陆月球，它对中国探月、乃至整个人类探月，到底有多大意义？十大看点告诉你！
发射成功现场
1
为什么选择探测月球背后？
地球上每天都有无数人举头望明月，对着它发出各式各样的感慨。但极少有人意识到，从他们第一次看到月亮至今，除了月亮“形状”（月相）的变化，月球表面的“图案”其实从来没变过，甚至最早人类远祖古猿看到的月亮和今人并无区别。
NASA的深空天气探测卫星在150万千米外日地拉格朗日点“定点”观察而来的月球掠过地球，可以明显看到月球只有一面对着地球（图源：NASA）
道理很简单：
通过亿万年的努力，巨大的地球把月球牢牢得实现了潮汐锁定，使它围绕地球一圈的公转周期完全等于自身转动。从地球上就只能看到当初它被固定朝向地球的一面。虽然由于月球天平动和视差现象可以瞥见一小部分背面，但绝大部分都是看不到的。我们称之为“月球背面”，在一些文艺作品中，还被艺术地称为“月之暗面”。需要注意的是，月球背面也能被太阳照到，并不“暗”，只不过人类看不到而已。
2
“我选择着陆月球背后，不是因为它简单，而是因为它更难”
人类月球探测、甚至人类航天的巅峰就是大名鼎鼎的阿波罗登月工程，它留下了载入史册的三句话：
肯尼迪总统说过两句：“我们要在这个十年结束前，把宇航员送上月球，再安全送回来”，“我们选择登月，不是因为它简单，而是因为它很难”。
经过无数航天人的努力，终于在1969年7月20日，由阿姆斯特朗说出了最著名的那一句：“这是我的一小步，却是全人类的一大步”。
到中国嫦娥三号时，人类已经在月球正面有过20个着陆器，然而背面为0（图源：Wikipedia）
但是，所有的阿波罗载人任务、甚至苏联和美国的其他无人着陆月球任务都集中在月球正面，对这里人类已经了解得非常多。现在，不仅顶级科学家可以每天用激光精确监测地月距离和表面情况，普通天文爱好者也可以用望远镜了解月球正面的每一个月海、每一座环形山。阿波罗计划甚至送了12名宇航员登陆月球正面、还带回了382千克的单体样本。
之所以一直探测正面、在正面着陆，却从不去背面，一个重要原因就是背面着陆的难度大大难于正面。
因为苏美太空竞赛的走向逐渐变成“耗资不菲但收获有限”，二者先后放弃了月球探测。也给人类的月球探测留下了一个大挑战：谁能成功着陆月球背面？我们要因为难，就不去了吗？
嫦娥四号做出了回答：“我选择着陆月球背后，不是因为它简单，而是因为它更难”。
3
月球背面探测，
会给科研界带来什么？
直接划重点：
a. 月球背面几乎全是环形山/陨石坑（97.5%），比正面多得多（69%），形成原因和目前的情况只有理论解释，缺乏实地验证；
b. 月球背面南极-艾特肯盆地，是太阳系第二大超级陨石坑，早在1998年，NASA的月球勘探者号就发现这里存在水冰，而且更接近月球最原始的情况；
c. 嫦娥四号实际着陆地点位于该区域中部的冯·卡门环形山，它以钱学森的恩师的名字命名。这里经过了强烈碰撞，极可能曾经被熔岩淹没，各类物质含量丰富，或许留有月幔最原始的成分，保留了月球最深层的秘密；
d. “月球上氦三能量开发可供人类能源需求XX万/亿年”的说法，相信大家已经看过很多了，而理论上月球背面环境更容易产生氦三；
e. 月球背面有天然的“屏蔽”，没有任何来自地球的辐射干扰，这意味着它有着无比完美的安静环境做天文观测；
f. 月球背面的月壤也极有可能与正面大不相同。
月球正面（左）和月球背面（右）看起来截然不同（图源：NASA）
以上，基本意味着第一个实现月球背面着陆的探测器将会收获众多独特的科研成果，对世界航天和天文界都将是巨大的贡献。
4
月球挡住了，信号咋办？
既然月球挡住了背面，就要布置一颗信号中继卫星，为着陆器做准备和全程信号支持。从上个世纪六十年代开始，NASA就一直在提设想、论证，但从未实践过。目前，中国已经完成了这一任务：早在去年5月份，就成功部署了“鹊桥号”中继卫星，在月球背后6.5万公里之外的地月拉格朗日二点附近Halo轨道簇上运行。
鹊桥号中继星与地球、月球的轨道关系（图源：吴伟仁等）
这是人类历史上首个月球信号中继卫星，架起了地球和月球背后的“鹊桥”，它将全程见证嫦娥四号的探测过程，也将负责嫦娥四号的全程通信。
5
着陆区域到底有多复杂？
月球背面陨石坑密布、尤其南极-艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂，对各种配合着陆传感器的系统要求很高。尤其是高度方面的变化速度超过了以往任何一次着陆，最大落差高达16.1千米。冯·卡门环形山属于其中一块核心区域，对嫦娥四号而言，相当于翻越崇山峻岭来找它。
如果把此前探测器在月球正面的着陆情形描述为小船轻轻划过湖面，嫦娥四号在月球背面的着陆就好比在风暴洋中冲浪，难度不可同日而语。
南极-艾特肯盆地的地形图复杂程度远超其他地方，图中标注处即冯·卡门环形山（图修改自：Garrick-Bethell and Zuber）
为了成功着陆并释放月球车探测，所克服的难度和意义可想而知。
6
为什么四天就到月球，
还迟迟不着陆？
嫦娥四号早在12月8日就出发，使用了我国目前深空探测的最强火箭长三乙改III型。3.8吨重的它仅花了4天14时16分就完成了发射、轨道校正、近月制动、进入工作轨道，是四次主要任务中最短的一个。但依然等到了2019年1月3日才进行着陆任务。
为什么需要这么长的时间呢？
是为了等待时机。
月球被潮汐锁定，自转与公转相同，导致它的一天就是一年，一半是黑夜一半是白天。换做地球时间就是近14天交替的白天黑夜。在进入月球轨道后，嫦娥四号一边测试仪器，一边等待月球进入白天，毕竟它的主要能量来源是太阳能。
光线照射形成的影子，也是着陆时判断地形的重要图像参考（图源：NASA）
另一方面，由于降落地点处于南极附近，它需要逐渐调整轨道倾角才能经过这里，比较耗时。同时，也要等待太阳光照在月球的角度达到理想的状态，这样所有的地貌都会有比较清晰的阴影，最大程度辅助光学设备选择并定位着陆地点。
网上有说法是，阿波罗登月的选择时间参考了中国的传统历法——农历，某种程度上，这个说法挺有道理，因为农历与月相一致，月相又说明了月球上太阳光照情况。这是登月设备的重要参考。
7
嫦娥四号着陆怎么“走位”？
由于降落的难度大大增加，嫦娥四号的着陆方式也将作出改动。由于着陆地的独特地貌特点，它的避障需求远高于其他着陆任务。
嫦娥三号和四号动力下降过程对比（图源：李飞等）
可以看出，在进入准备阶段后，嫦娥四号的轨迹不降反升，而后进入一个几乎要实现长距离垂直下降过程，期间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程，难度极大。这么一个复杂的“走位”，对自主导航制导与控制要求极高。
8
嫦娥四号的能量怎么来？
采用太阳能电池板和充电电池组合，是很多月球探测器的基本配备。在（月球）白天，月球上太阳能极其充沛，太阳能电池板充电，剩余电能储蓄下来，所有系统正常工作。晚上能量不足，只能冬眠或降低工作强度。我国的嫦娥三号和玉兔号任务，以及苏联、美国诸多无人探测器，大都采用这个方案。
2013年12月2日发射的嫦娥三号和玉兔号月球车，它们能量主要依靠太阳能电池板（图源：中国航天科技集团）
为应对夜晚过低的温度，探测器还需要携带放射性同位素元素钚-238，它的半衰期长达88年，会源源不断释放热量，做保温用，嫦娥三号即是如此。与此同时，它的热量也可以收集起来用以发电，这就是大名鼎鼎的“核电池”，太阳系的五个使者：先锋十号、先锋十一号、旅行者一号、旅行者二号、新视野号，皆是依靠它实现了深空之旅。
而在嫦娥四号上，中国将首次实验自己的“核电池”技术。尽管它不是最主要的能量来源，但这个突破已经意义重大。
9
逆袭的“备胎”！
嫦娥四号原本是嫦娥三号的备份版本，但毫无疑问，目前它的科学和工程目标都大大超出了前者。在嫦娥四号动力下降过程中，它需要鹊桥号配合完成全部动作，这就要求对星上传感器和核心降落辅助设备进行全新升级。
月面微型生态圈，带有马铃薯、蚕、拟南芥和生命支撑系统（图源：重庆大学）
基于过往经验，嫦娥四号对月球车进行了一定改进，以期延长使用寿命，扩大科研成果。太阳能帆板系统也升级为高效三结砷化镓材料，能量来源更强劲。对嫦娥三号已有的测月雷达等设备进行升级。
此外，在科学仪器上，为充分利用月球背后的“干净”天文观测条件，它新增了探测中子及辐射剂量、低频射电和中性原子等一系列设备。除了科研，它还携带了一个以科普为主要目标的月面微型生态圈，里面有几种生物，也是人类首次进行月面生物实验。
10
国际合作大突破
嫦娥探月工程作为中国最具标志性大型科学研究项目之一，在扩展中国航天国际影响力、甚至直接促进国际合作方面的意义对我国而言是无可取代的，而嫦娥四号任务（本质上鹊桥号中继卫星也属于嫦娥四号任务的一部分）更是为中国航天迈出了突破性的一步。
嫦娥四号任务的火箭整流罩上有众多国际机构，可以看出这是个高度国际化的任务（图源：中国航天科技集团）
在科学方面，低射频电探测仪是与荷兰合作，月表中子与辐射剂量探测仪是与德国合作，中性原子探测仪是和瑞典合作，月球小型光学成像探测仪是与沙特合作。
在任务成功后，嫦娥四号收集来的一手科研数据将会对外全部公开，欢迎全世界科学家共同研究。一言以蔽之：嫦娥工程是近些年中国航天在国际上最大的一张名片，造成广泛影响的同时，也在行业内外得到了很多关注，是我国航天对外开放吸引合作的最佳平台。
因而，眼前的嫦娥四号，不仅是中国的，更是全世界的。它的科学和工程意义，对整个人类而言都是重大突破。
延伸：“中国探月会惹大麻烦？”
我们在地球上看到的月球永远是半个月亮，哪怕是几亿年以前的恐龙，它们看到的月亮也是这半个月亮。那么，月球的另一面到底有什么呢？
“嫦娥之父”、天体化学与地球化学家、中国科学院院士欧阳自远也跟我们分享神秘又诡异的月球背面。
天体化学与地球化学家、中国科学院院士欧阳自远
以下内容为欧阳自远演讲实录（节选）：
我今天要向大家介绍“嫦娥四号”和诡异的月球背面。
2020年我们要全面建成小康社会，迎接我们伟大的第一个100年的到来。紧接着，我们中国还要继续努力两个15年，我们要建设伟大的社会主义强国。为了迎接第一个100年的到来，中央批准了我们三次任务，今年我们中国将要降落到人类从来都看不到的月球背面。我们一个着陆器和一个月球车，将降落在那里开展探测，这是今年的任务。
2019年，我们中国将要在月球上打钻、采样，最后把样品全部带回地球，开展全面的研究。2020年，我们中国将实现一次去火星的探测，将有一个飞船绕过火星飞，同时还有个火星车，天地联合起来探测火星。
现在盛传我们看不见月亮的那一半全是外星人给占据了，外星人可以监视我们地球人类的活动，而我们却永远看不到他们。后来经过很多探测，月球的正面和背面，我们都拍了很精细的图像。
这就是月球背面，据说月球背面有外星人，他们正在设计如何建设好月球的背面。还有很多人给我写信，说咱们中国人别惹这个麻烦了，你们干嘛要到月球背面去惹祸呢？别人都不敢去。还说月球是外星人造的，里面是空心的，外星人都待在月球的里边等等很多谣传。
还有很多科普书，说外星人就在月球背面，并建造了月球等等，这些到底是真是假呢？我们刚才已经讲了，月球是实心的，绝对不是外星人造的，它的历史有45亿年。要待45亿年去造这么一个月球，哪有那么多外星人？这是不可能的。
美国最有名的一个杂志叫《世界新闻周刊》，这个杂志很有权威性，1988年4月5日登载了一张照片。在二战时期，美国的轰炸机群经过百慕大上空的时候，突然有一架轰炸机不知去向，这个轰炸机到底到哪儿去了？后来传说它被外星人劫持，他们把飞机放在月球背面的一个坑里头，就是这张照片。
我对于这个轰炸机不了解，但是这个坑我一看就知道它的经纬度位置、大小和特征，这是月球背面一个很有名的坑，它有93公里的直径，有3公里深，但是这个坑里却没有飞机。这个坑是93公里，照片上的飞机起码有50公里长，飞机翅膀展开的宽度起码有50到60公里宽，人能造那么大的飞机吗？这是不可能的。
另外，飞机不能在月球上飞，为什么？月球是超高真空，飞机要靠空气动力学的原理才能飞，在月球上飞机完全是个废物。
网友们给我发了一二百张照片，都是外星人在月球上的活动。比如这张照片，左边的照片是“阿波罗16号”的宇航员在月球上采集月亮样品，他叫杜克。而右边的图，网友说是外星人在月球上巡查，背后就是外星人的秘密武器制造工厂。大家一看就知道，这个人就是杜克，鞋印都是完全一样的，右边的照片完全是伪造的。
有人说月球上有金字塔，其实是把埃及金字塔贴上去的。
有人说月球上有巨石阵，其实是把英国的巨石阵放在了月球上。
有人说这是外星人的城市，这是一张画，根本不是月球上的外星人的城市。
还有人说，这是外星人的照片。我量了一下，这个外星人的高度起码有50米，哪有那么高的人？这全是假的。
我觉得月球背面没有任何外星人活动的迹象。现在我们应该正本清源，月球是一个严酷的世界，白天100多度，晚上零下180度，温差可以达到300度，没有任何丝毫的空气，月球的环境太严酷了，人是不能居住的。
最后再说个题外话。
嫦娥四号成功登陆月球背面，除了被广泛传播的画面外，还有这一幕也引发热议，登上热搜：让中国实现人类首次月球背面软着陆的年轻面孔。
视频中，年轻面孔很多，有网友表示，这“才是最令我感到开心和欣慰的”“感觉很振奋”。
其实，这些年来，中国航天都不乏80后、甚至90后的身影。这些年轻的中国航天人，正在各自的岗位上，为中国航天的贡献自己的力量。
看到他们的发量，我自闭放心了
主要参考资料：
1.科学大院（kexuedayuan）文章：嫦娥四号着陆月球，十大看点告诉你到底有多牛！，2019.1.3
2.SELF格致论道讲坛（SELFtalks）文章：嫦娥四号与诡异的月球背面，作者：欧阳自远，2018.7.12
3. 文中的“吴伟仁等”指来自此期刊文章：吴伟仁，王琼，唐玉华，等. “嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报，2017， 4(2):111-117.
4. 文中的“李飞等”指来自此期刊文章：李飞, 张熇, 吴学英, 等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]. 深空探测学报, 2017, 4(2): 143-149.
5. NASA最早提出的完整月球信号中继方案可见文章：Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.
6. 南极-艾特肯盆地高程原图来自：Potter, R. W. K., G. S. Collins, W. S. Kiefer, P. J. McGovern, and D. A. Kring (2012), Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, Icarus, 220, 730–743, doi:10.1016/j.icarus.2012.05.032.
编辑：娓
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