中國嫦娥四號實現人類首次著陸月背之前,科學家主要借助繞月探測器了解月球背面,要麼拍照,要麼用儀器遠距離掃描。
在這些探測器中,最早給月背拍照的,是前蘇聯的「月球3號」。
時間回到60年前,蘇聯的「月球2號」探測器剛剛實現人類首次月面撞擊。為了彰顯航天實力,也為了窺探月球背面的奧秘,給月球背面拍照,成為下一步的首要任務。
承擔這項任務的正是「月球3號」探測器。
那時候的設備很簡陋,拍照工具就是兩台膠片照相機,分別安裝200毫米和500毫米鏡頭,用于拍攝月球的全景和特寫。據說相機膠片還是從擊落的美國偵察氣球上獲得的35毫米的寬膠片。
那麼,拍完照片怎麼傳回地球?
蘇聯的專家團隊利用當時最先進的晶體管設備,研制了一套圖像傳輸系統。
大概流程是,當「月球3號」拍完照片后,探測器會對相機底片進行自動沖印。圖像傳輸系統對沖印后的照片進行電視掃描,并轉換成為無線信號,最后傳回蘇聯的地面接收站。
「月球3號」的發射地在拜科努爾火箭發射場。
拜科努爾火箭發射場位于哈薩克斯坦中部沙漠地區,曾經是世界最先進的航天基地。
歷史上,這里創造過多個第一,比如1957年發射的第一顆人造地球衛星,1961年第一艘載人飛船,以及人類首次探索月球的系列「月球」探測器,都是從這里起飛。
拜科努爾火箭發射場
1959年10月,「月球3號」從拜科努爾發射場成功升空之后,并沒有直接飛到環月軌道,而是經過一段較長的軌道飛往月球,為什麼要這樣?
眾所周知,月背如果沒有陽光照射,將是漆黑一片,膠片相機無法拍到任何圖像。而當時的探測器能力也不夠,無法像現在的探測器那樣,一直繞著月亮飛,可以長時間等待拍照。
這樣,就必須對「月球3號」的飛行軌道進行特殊設計,選擇合適的時機。
玉兔二號月球車
大家知道,農歷新月的時候,月球背面會正對太陽,此時整個月球背面會被照亮。我國嫦娥四號正是考慮了月球背面的照射期,選擇在月球背面的「白天」著陸。而玉兔的工作模式也是基于這個特點,月晝利用太陽能工作,月夜休息。
蘇聯科學院根據圖片繪制的月背地圖
事實上,經過蘇聯專家的安排,「月球3號」沿著一條較長的地月軌道,經過幾天的繞魯夫行后,慢慢繞到月球背面。
當「月球3號」從距離月背表面6萬多公里的高度經過時,陽光剛好照亮了月球背面,讓「月球3號」有機會可以為月背拍照。
2019年俄羅斯國家檔案館向媒體公開「月球3號」拍攝的月背照片
在接下去的40多分鐘內,「月球3號」抓住寶貴的時機,連續抓拍了近30張照片,雖然分辨率很低,卻覆蓋了月背70%的面積,首次揭開了月球背面神秘的面紗。
「月球3號」拍攝的部分照片一經公開,便轟動了全世界。
月背莫斯科海
「月球3號」傳回的月背照片展示出,月球背后的地形主要是丘陵、高山,有兩個較大面積的平原,即「月海」,照片上顏色較暗的區域。
因為是人類首次拍攝,蘇聯搶先為月背兩個較大的月海命名,分別為「莫斯科海」和「夢海」。
蘇聯成功拍攝月背照片后,激起了人類探索月球的熱潮。美國也開始不斷發射月球探測器,到了1966年,美國月球探測器成功拍攝到月背。
不過,盡管不斷有探測器拍攝月背,照片質量也越來越清晰,但始終沒有探測器在月背著陸。為什麼?
中國航天五院提供的鵲橋中繼衛星示意圖
最大的難點,就是月背的通信問題。
月球有個神奇的特點,就是始終只有一面朝向地球,給人無盡的遐想。
而月球本身又是天然的無線通信屏障,當航天器到達月背之后,如果沒有合適方法解決通信問題,地面控制台將無法控制航天器。
科學家想了很多辦法,直到嫦娥四號中繼星,俗稱「鵲橋」的通信衛星出現,才基本解決。
中國航天五院提供的鵲橋通信示意圖
2018年5月,長征四號丙運載火箭將「鵲橋」發射升空,并成功到達地月的拉格朗日L2點附近。在這個位置,「鵲橋」可以同時與月背、地球進行通信,從而間接實現地球與月背之間的通信。
一橋飛架南北,天塹變通途。率先發射的「鵲橋」為此后的嫦娥四號月背著陸掃平了障礙。
可能有朋友會問,為什麼美蘇60年前就開始月背的研究,到現在也沒有實現月背著陸?
原因有很多,美蘇科學家也有考慮過,解決思路也有。只不過要辦成一件事不容易,需要綜合各種因素。
上世紀六十年代,曾經有美國深空探測專家建議在地月拉格朗日L2點的Holo軌道布設中繼星,實現月球背面探測器的通信,也就是類似「鵲橋」中繼衛星的機制,但這個設想最終沒有實現,現在中國的「鵲橋」實現了這個想法。
總結
中國航天五院提供嫦娥四號、玉兔二號、鵲橋合圖
如今,中國的「嫦娥」們不僅完成了奔月,還從月球上取回了月壤,正在準備更進一步的探索。