石豪：最初的梦想——月球背面探索史
【文/观察者网专栏作者 石豪】
备受关注的嫦娥四号月球探测器，于北京时间2018年12月8日凌晨2时23分发射升空，前往人类从未踏足的月球背面，执行历史上首次月背着陆探测。
从今天开始，笔者将与各位读者一起，回顾月球探索的发展历程，追踪嫦娥四号的任务进程，品读中国航天人的开拓精神。
一、永恒之暗
自从数万年前先人第一次仰望夜空起，人类对月球的好奇与求索从未停止。
随着时间的流逝，人们渐渐发现，月亮表面的“图案”似乎是固定的，只是伴随着月盈月亏而若隐若现。
月有阴晴圆缺，只是朱颜不改
随着天文学的发展，人类逐渐意识到，月亮和地球一样，都是球状的天体，月亮是地球的一颗天然卫星，在围绕地球公转的同时，自身也在自转。
而月球终年只以一面示人的原因在于，月球的自转周期与公转周期是基本一致的，就像这样：
图片作者：gracie@tumblr
这并不是个神奇的巧合，而是自然法则作用下长期磨合的结果。
我们来看一下真实比例下的地球、月球和地月距离：
图片作者：Melikamp@Wikipedia
在地月系统中，尽管月球的半径只相当于地月平均距离的1/220，但这依然不足以将月球的尺寸忽略不计。在地球的引力场中，月球朝向地球的一面，总会比背离地球的一面受到更多的引力，这种不平衡的引力对月球构造产生“撕扯”，并最终将月球塑造成了一个略扁的球体。
图片作者：Robert Frost@NASA
上图中，月球近端B受到的引力就明显大于远端A。
在月球公转一个角度后，如果月球的自转速度与其公转速度有差别，那么月球远端A、近端B和地球引力中心就不在一条直线上，不平衡的引力将产生一个力矩，影响月球的自转速度，使得AB两点与地球引力中心保持共线。
具体到上图的例子，月球的自转比公转快（蓝色箭头），不平衡引力产生的力矩（红色箭头）就会减慢月球的转动，最终使月球的自转与公转速度相同。
这就是我们长期以来只能看到月球一个面的原因，在天文学中被称为月球的“同步自转”。这种原理在航天器设计中被称作重力梯度效应，科学家甚至利用重力梯度作为卫星的稳定与控制手段，美国海军早期的“子午仪”导航卫星就是基于这种原理。
“子午仪”导航卫星，包含一根伸长的重力梯度稳定杆
顺带一提，基于重力梯度稳定的卫星会绕着它的质心像天平那样摆动，这被称为天平动效应，需要额外的阻尼来克服。而月球没有这种人工阻尼，因此天平动比较明显，我们也能通过天平动看到月球背面的18%。
二、探测先驱
随着宇航技术的发展，人类终于有机会发射探测器，观测月球背面的情况。
1959年10月7日，苏联Luna 3号探测器成功传回了人类历史上第一张月球背面图片。
第一张月球背面图片
Luna 3探测器结构
基于Luna 3探测器的数据，苏联很快于1960年发布了月球背面的地图集，并对其中能够分辨的500个地貌特征进行了命名。
月球背面部分地貌特征命名情况@NASA
1962年4月26日，美国徘徊者4号探测器撞击月球背面成功，成为首颗在月球背面硬着陆的探测器。
徘徊者4号探测器结构
而第一批用肉眼观测月球背面的幸运儿，是执行阿波罗8号任务的宇航员——弗兰克·博尔曼、吉姆·洛威尔与威廉·安德斯，他们于1968年12月21日发射升空，完成绕月飞行后于12月27日成功返回地球。登月第一人尼尔·阿姆斯特朗是阿波罗8号任务的替补乘组指令长。
执行阿波罗8号飞行任务的三位宇航员：（自左向右）指令舱驾驶员吉姆·洛威尔、登月舱驾驶员威廉·安德斯和指令长弗兰克·博尔曼。（图/视觉中国）
三、壮志未酬
在阿波罗载人登月计划中，美国曾经考虑过在月球背面进行着陆，已故的著名科学家罗伯特·法夸尔曾对笔者讲起过这段往事。
在地月系这样的两天体系统中，如果引入一个质量和体积与天体相比能够忽略不计的航天器，我们总能找到5个可以使航天器受力平衡的点，这就是航天动力学中限制性三体问题的5个特殊解，也称5个拉格朗日点。
拉格朗日点示意图
如果将一颗卫星打到月球远端的L2点附近，我们可以通过轨道控制，以很小的代价（每年10m/s的轨道维持速度增量）令卫星围绕L2点旋转。当轨道足够大的时候，从地球看过去，绕L2点的轨道就像月球外面的光晕（Halo）一样。
这种轨道正是由罗伯特·法夸尔于1966年提出的，他将这种轨道命名为晕轨道（Halo Orbit）。
由前文所述，月球背面长期背离地球，地球无法直接与任何在月球背面的探测器取得联络。在阿波罗13号事故中，乘组要在月球背面进行一次关键的点火，而地面控制中心对此完全无法掌控，宇航员们只能靠自己。直到那个时候，NASA才意识到法夸尔研究的重要性——如果有运行在晕轨道上的中继卫星，宇航员就不必冒着巨大风险手动点火。
在阿波罗任务的早期设计中，这个问题是被忽略的，而且就算发生了阿波罗13号那样的事故，NASA也不打算再花钱去改进。这种冒险在今天是完全不可想象的，但是在太空竞赛的年代，人们总会倾向于多冒险。
当NASA确定阿波罗17号任务将成为最后一次载人登月任务时，阿波罗17号的宇航员哈里森·施密特（同时也是一位地质学家）希望给阿波罗计划一个辉煌的结局，他决定推动NASA将阿波罗17号的登月舱降落地点选在月球背面。因此施密特叫来了法夸尔，希望他能够给NASA的决策者讲解晕轨道中继卫星方案。
法夸尔一家人在ISEE-3卫星发射前的合影
尽管时间紧迫，但法夸尔依然提前向施密特和其他科学家做了一次汇报预演。为了让中继卫星的入轨更节省燃料（当然也更省钱），法夸尔设计了非常复杂而巧妙的月球助力加速方案。
施密特对此很满意，但说起向NASA决策者的汇报，施密特无比强烈地要求法夸尔不要给他们看这个省钱的方案，语气夸张到几十年后法夸尔向笔者讲述时，依然记忆犹新。
其实施密特的要求是有道理的，他不希望这个乍一看十分复杂的轨道给已经因预算和安全性焦头烂额的NASA高层增加更多压力，导致方案更难通过。
同样是拉格朗日点任务的WIND探测器，读者朋友可以感受一下它到达L1点的轨迹
当然，就算法夸尔选用了更为简单和直接的轨道转移模式，阿波罗17号依然没能在月球背面着陆，NASA已经无法负担更多的经费，承担更高的风险了。这对于法夸尔本人和阿波罗17号乘组而言，都是毕生憾事。
法夸尔是一位杰出的科学家，在NASA后来的深空探测任务中多次起到关键作用。他深知国际合作的重要性，生前积极推进中美两国航天界的合作，这在麦卡锡主义盛行、对华合作万马齐喑的美国航天界，是极为难得的。
法夸尔是笔者的忘年之交，也是笔者进入航天领域的引路人，时至今日，笔者依然为此感到荣幸和自豪。
Robert W. Farquhar（1932-2015）
斯人已逝，法夸尔终其一生未能实现的月球中继卫星与月球背面软着陆，即将在这一代中国航天人手中变为现实。
让我们一起期待嫦娥四号探测器的发射，期待触手可及的月球之巅。
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