石豪：最初的夢想——月球背面探索史
【文/觀察者網專欄作者 石豪】
備受關注的嫦娥四號月球探測器，於北京時間2018年12月8日凌晨2時23分發射升空，前往人類從未踏足的月球背面，執行歷史上首次月揹着陸探測。
從今天開始，筆者將與各位讀者一起，回顧月球探索的發展歷程，追蹤嫦娥四號的任務進程，品讀中國航天人的開拓精神。
一、永恆之暗
自從數萬年前先人第一次仰望夜空起，人類對月球的好奇與求索從未停止。
隨着時間的流逝，人們漸漸發現，月亮表面的“圖案”似乎是固定的，只是伴隨着月盈月虧而若隱若現。
月有陰晴圓缺，只是朱顏不改
隨着天文學的發展，人類逐漸意識到，月亮和地球一樣，都是球狀的天體，月亮是地球的一顆天然衞星，在圍繞地球公轉的同時，自身也在自轉。
而月球終年只以一面示人的原因在於，月球的自轉週期與公轉週期是基本一致的，就像這樣：
圖片作者：gracie@tumblr
這並不是個神奇的巧合，而是自然法則作用下長期磨合的結果。
我們來看一下真實比例下的地球、月球和地月距離：
圖片作者：Melikamp@Wikipedia
在地月系統中，儘管月球的半徑只相當於地月平均距離的1/220，但這依然不足以將月球的尺寸忽略不計。在地球的引力場中，月球朝向地球的一面，總會比背離地球的一面受到更多的引力，這種不平衡的引力對月球構造產生“撕扯”，並最終將月球塑造成了一個略扁的球體。
圖片作者：Robert Frost@NASA
上圖中，月球近端B受到的引力就明顯大於遠端A。
在月球公轉一個角度後，如果月球的自轉速度與其公轉速度有差別，那麼月球遠端A、近端B和地球引力中心就不在一條直線上，不平衡的引力將產生一個力矩，影響月球的自轉速度，使得AB兩點與地球引力中心保持共線。
具體到上圖的例子，月球的自轉比公轉快（藍色箭頭），不平衡引力產生的力矩（紅色箭頭）就會減慢月球的轉動，最終使月球的自轉與公轉速度相同。
這就是我們長期以來只能看到月球一個面的原因，在天文學中被稱為月球的“同步自轉”。這種原理在航天器設計中被稱作重力梯度效應，科學家甚至利用重力梯度作為衞星的穩定與控制手段，美國海軍早期的“子午儀”導航衞星就是基於這種原理。
“子午儀”導航衞星，包含一根伸長的重力梯度穩定杆
順帶一提，基於重力梯度穩定的衞星會繞着它的質心像天平那樣擺動，這被稱為天平動效應，需要額外的阻尼來克服。而月球沒有這種人工阻尼，因此天平動比較明顯，我們也能通過天平動看到月球背面的18%。
二、探測先驅
隨着宇航技術的發展，人類終於有機會發射探測器，觀測月球背面的情況。
1959年10月7日，蘇聯Luna 3號探測器成功傳回了人類歷史上第一張月球背面圖片。
第一張月球背面圖片
Luna 3探測器結構
基於Luna 3探測器的數據，蘇聯很快於1960年發佈了月球背面的地圖集，並對其中能夠分辨的500個地貌特徵進行了命名。
月球背面部分地貌特徵命名情況@NASA
1962年4月26日，美國徘徊者4號探測器撞擊月球背面成功，成為首顆在月球背面硬着陸的探測器。
徘徊者4號探測器結構
而第一批用肉眼觀測月球背面的幸運兒，是執行阿波羅8號任務的宇航員——弗蘭克·博爾曼、吉姆·洛威爾與威廉·安德斯，他們於1968年12月21日發射升空，完成繞月飛行後於12月27日成功返回地球。登月第一人尼爾·阿姆斯特朗是阿波羅8號任務的替補乘組指令長。
執行阿波羅8號飛行任務的三位宇航員：（自左向右）指令艙駕駛員吉姆·洛威爾、登月艙駕駛員威廉·安德斯和指令長弗蘭克·博爾曼。（圖/視覺中國）
三、壯志未酬
在阿波羅載人登月計劃中，美國曾經考慮過在月球背面進行着陸，已故的著名科學家羅伯特·法夸爾曾對筆者講起過這段往事。
在地月系這樣的兩天體系統中，如果引入一個質量和體積與天體相比能夠忽略不計的航天器，我們總能找到5個可以使航天器受力平衡的點，這就是航天動力學中限制性三體問題的5個特殊解，也稱5個拉格朗日點。
拉格朗日點示意圖
如果將一顆衞星打到月球遠端的L2點附近，我們可以通過軌道控制，以很小的代價（每年10m/s的軌道維持速度增量）令衞星圍繞L2點旋轉。當軌道足夠大的時候，從地球看過去，繞L2點的軌道就像月球外面的光暈（Halo）一樣。
這種軌道正是由羅伯特·法夸爾於1966年提出的，他將這種軌道命名為暈軌道（Halo Orbit）。
由前文所述，月球背面長期背離地球，地球無法直接與任何在月球背面的探測器取得聯絡。在阿波羅13號事故中，乘組要在月球背面進行一次關鍵的點火，而地面控制中心對此完全無法掌控，宇航員們只能靠自己。直到那個時候，NASA才意識到法夸爾研究的重要性——如果有運行在暈軌道上的中繼衞星，宇航員就不必冒着巨大風險手動點火。
在阿波羅任務的早期設計中，這個問題是被忽略的，而且就算發生了阿波羅13號那樣的事故，NASA也不打算再花錢去改進。這種冒險在今天是完全不可想象的，但是在太空競賽的年代，人們總會傾向於多冒險。
當NASA確定阿波羅17號任務將成為最後一次載人登月任務時，阿波羅17號的宇航員哈里森·施密特（同時也是一位地質學家）希望給阿波羅計劃一個輝煌的結局，他決定推動NASA將阿波羅17號的登月艙降落地點選在月球背面。因此施密特叫來了法夸爾，希望他能夠給NASA的決策者講解暈軌道中繼衞星方案。
法夸爾一家人在ISEE-3衞星發射前的合影
儘管時間緊迫，但法夸爾依然提前向施密特和其他科學家做了一次彙報預演。為了讓中繼衞星的入軌更節省燃料（當然也更省錢），法夸爾設計了非常複雜而巧妙的月球助力加速方案。
施密特對此很滿意，但説起向NASA決策者的彙報，施密特無比強烈地要求法夸爾不要給他們看這個省錢的方案，語氣誇張到幾十年後法夸爾向筆者講述時，依然記憶猶新。
其實施密特的要求是有道理的，他不希望這個乍一看十分複雜的軌道給已經因預算和安全性焦頭爛額的NASA高層增加更多壓力，導致方案更難通過。
同樣是拉格朗日點任務的WIND探測器，讀者朋友可以感受一下它到達L1點的軌跡
當然，就算法夸爾選用了更為簡單和直接的軌道轉移模式，阿波羅17號依然沒能在月球背面着陸，NASA已經無法負擔更多的經費，承擔更高的風險了。這對於法夸爾本人和阿波羅17號乘組而言，都是畢生憾事。
法夸爾是一位傑出的科學家，在NASA後來的深空探測任務中多次起到關鍵作用。他深知國際合作的重要性，生前積極推進中美兩國航天界的合作，這在麥卡錫主義盛行、對華合作萬馬齊喑的美國航天界，是極為難得的。
法夸爾是筆者的忘年之交，也是筆者進入航天領域的引路人，時至今日，筆者依然為此感到榮幸和自豪。
Robert W. Farquhar（1932-2015）
斯人已逝，法夸爾終其一生未能實現的月球中繼衞星與月球背面軟着陸，即將在這一代中國航天人手中變為現實。
讓我們一起期待嫦娥四號探測器的發射，期待觸手可及的月球之巔。
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