李會超：發射已經二十多天，嫦娥四號為何還未着陸？

【文/觀察者網專欄作者 李會超】

2018年12月6日，中國航天拉開了年末一場重頭戲的序幕：嫦娥四號探測器從我國的西昌衞星發射中心成功發射，將進行人類歷史上第一次在月球背面的軟着陸探測。目前，距離發射成功已經過去二十多天，卻始終沒有傳來嫦娥四號成功着陸的消息。在這段時間裏，嫦娥四號究竟在做什麼呢？

發射嫦娥四號的長征-3B火箭起飛昇空

在月球上等天亮

其實，嫦娥四號一切正常，只是在等天亮。

眾所周知，地球上的一天和一年分別是地球自轉和公轉一圈的時間。在一天中，將迎來太陽的東昇西落和黑夜與白天的交替。而在月球上的某一位置，完成一次同樣的過程卻需要27.3個地球天，也即655小時的時間，與月球繞地球公轉的週期完全相同。

實際上，在月球形成的早期，月球的自轉速度比現在快，月球上“一天”的時間也比現在短。然而，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週期相同，潮汐力引起的隆起始終處於地月中心的連線上。這種現象被稱為”潮汐鎖定“。

左圖為月球在自轉的同時繞地球公轉的示意圖，由於月球自轉週期和公轉週期一樣，因此朝向地球的總是同一面。假如月球再公轉的同時並不自轉，則會出現右圖中的情形

在潮汐鎖定的作用下，月球朝向地球的部分是固定的，也就是我們能夠從地球上看到的那一面。隨着月球的自轉，月球表面被照亮的部分會逐漸發生改變。農曆每月十五，月球面對地球的一面(月球正面)被太陽照亮，此時那裏是白天，地球上的我們所看到的則是明亮的滿月。而每月初一，月球上背對地球的一面（月球背面）被照亮，朝向地球的一面則變得黑暗，我們也就看不到月亮了。十五前後，月球正面被照亮的區域多，而初一前後，月球背面被照亮的區域多。

處於日地L1點的DSCOVR衞星拍攝的地月合影，映入鏡頭的就是月球背面被太陽照亮時的樣子

嫦娥四號雖然攜帶了同位素熱電池，但主要的電力來源仍然是其太陽能電池板。為了能讓其在着陸過程中得到充分的電能供應，設計者們希望嫦娥四號能在光照條件較好的時間實施着陸。同時，較好的光照還可以讓探測器在落月的關建過程中躲過月夜裏的極寒。實際上，嫦娥四號早在12月12日就已經來到了月球附近，完成近月制動併成功進入繞月軌道，但那一天是農曆的初六，月球背面剛好處於夜間。因此，嫦娥四號要在繞月軌道上等待一段時間，直到月球的背面天亮後，再擇機實施着陸。

發射窗口限制多

但是，問題到這裏還沒有完全解決。既然奔月之旅只需要五六天，為什麼嫦娥四號要早早上路呢？

在人類現有的航天技術條件下，航天器在太空中並非自由的飛行，而是總要考慮地球、太陽、月球等大天體的引力作用。如果要從地球出發去往月球附近，最常用的路徑是一條被稱為“霍曼轉移軌道”的路徑。轉移軌道是一條大橢圓軌道，橢圓的一側接近地球，而另一側則位於月球附近。去往月球的探測器由地面發射後，首先由火箭的上面級提供能量，加速進入這條地月轉移軌道。待到達月球附近後，再利用自身或火箭上面級的發動機減速，被月球引力捕獲，從轉移軌道上脱離，成為環繞月球的飛行器。

在嫦娥一號任務中，無論是在地球附近還是在月球附近，都要經過多次軌道調整的過程。在地球附近，嫦娥一號首先進入了一條週期為16小時的軌道，之後又陸續進入了週期為24小時和48小時的軌道。在這三條軌道上總共運行調整五天後，嫦娥一號才進一步進入了地月轉移軌道。而在月球附近，它則先減速進入了一條環繞月球的12小時軌道，之後經過3.5小時軌道過渡後最終進入了週期約2小時，距離月球表面約200km的工作軌道（也稱“使命軌道”）。

嫦娥一號軌道示意圖

到嫦娥二號時，飛船測控和動力控制技術的提高使得嫦娥二號在發射後由運載火箭直接送入了地月轉移軌道，無需在地球附近進行三次軌道調整。而到達月球附近後，還需要像嫦娥一號那樣逐步進行軌道調整。而在嫦娥三號任務時，除了發射後直接進入地月轉移軌道外，嫦娥三號在月球附近減速制動時也無需再調整三次，直接進入了距離月球表面約100公里的圓軌道。

嫦娥二號軌道示意圖，在地球附近沒有經過三次軌道調整，而是直接進入了地月轉移軌道

看起來，去往月球似乎是一件隨時都可以出發的事，只要事先計算好進入進入轉移軌道的時機和位置，使得到達轉移軌道的遠地點時恰好和月球相遇就可以了。然而，在實際任務中，在火箭運載能力一定的情況下（無論火箭推力多大），要將重量儘可能大的有效載荷成功送到月球，就要考慮對軌道設計的各種限制因素。例如，轉移軌道的軌道傾角受到發射場位置的限制，不能低於發射場的地理緯度。同時，西昌衞星發射基地位於內陸地區，為了保證火箭飛行過程中完成工作的助推器、一子級等不落入人口稠密地區，對火箭的飛行方向也有限制，進一步限制了能夠進入的轉移軌道。此外，地月轉移軌道和飛行器在月球的使命軌道必須相匹配，使飛行器以較為節省燃料的方式脱離轉移軌道。

嫦娥三號軌道示意圖，脱離轉移軌道後直接進入了環繞月球的圓軌道

雖然目前還沒有關於嫦娥四號發射窗口情況的公開資料，但根據上文介紹的那些約束限制和以往任務的情況，在一段時間內發射窗口的數量是非常有限的。同時，嫦娥四號的工作需要鵲橋中繼星的配合，嫦娥四號要在中繼星成功發射半年、工作狀態已經穩定後才能啓程奔月。鵲橋和嫦娥四號的中繼星的發射窗口還要相互配合，對各自的發射時間給出了進一步的限制。因此，嫦娥四號之所以要在月球附近“等天亮”，很大程度上也是由軌道與發射窗口的限制所決定的。

按照計劃，嫦娥四號從發射到着陸的飛行時間約為27天。當2019年新年的鐘聲敲響的時候，我們也可以靜候這位中國派往月之暗面的使者，將會在2019年伊始給我們帶來新的驚喜。

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