文 观察者网专栏作者 李会超空间物理学博士、科普作者
2018年12月6日，中国航天拉开了年末一场重头戏的序幕：嫦娥四号探测器从我国的西昌卫星发射中心成功发射，将进行人类历史上第一次在月球背面的软着陆探测。目前，距离发射成功已经过去二十多天，却始终没有传来嫦娥四号成功着陆的消息。在这段时间里，嫦娥四号究竟在做什么呢？
发射嫦娥四号的长征-3B火箭起飞升空
在月球上等天亮
其实，嫦娥四号一切正常，只是在等天亮。
众所周知，地球上的一天和一年分别是地球自转和公转一圈的时间。在一天中，将迎来太阳的东升西落和黑夜与白天的交替。而在月球上的某一位置，完成一次同样的过程却需要27.3个地球天，也即655小时的时间，与月球绕地球公转的周期完全相同。
实际上，在月球形成的早期，月球的自转速度比现在快，月球上“一天”的时间也比现在短。然而，月球在公转过程中，受到地球的万有引力并不均匀。靠近地球的一侧，万有引力大于公转的离心力，处于这侧的岩石被拉伸，向靠近地球的方向隆起。在远离地球的一侧，受力情况相反，岩石向远离地球的方向隆起。当月球的公转速度和自传速度不同时，由潮汐力引起的隆起位置会不断改改变，但隆起位置的改变始终跟不上地球与月球中心连线方向的变化。在这个过程中，潮汐力将改变月球的自转速度，最终使得月球的自传和公转周期相同，潮汐力引起的隆起始终处于地月中心的连线上。这种现象被称为”潮汐锁定“。
左图为月球在自转的同时绕地球公转的示意图，由于月球自转周期和公转周期一样，因此朝向地球的总是同一面。假如月球再公转的同时并不自转，则会出现右图中的情形
在潮汐锁定的作用下，月球朝向地球的部分是固定的，也就是我们能够从地球上看到的那一面。随着月球的自转，月球表面被照亮的部分会逐渐发生改变。农历每月十五，月球面对地球的一面(月球正面)被太阳照亮，此时那里是白天，地球上的我们所看到的则是明亮的满月。而每月初一，月球上背对地球的一面（月球背面）被照亮，朝向地球的一面则变得黑暗，我们也就看不到月亮了。十五前后，月球正面被照亮的区域多，而初一前后，月球背面被照亮的区域多。
处于日地L1点的DSCOVR卫星拍摄的地月合影，映入镜头的就是月球背面被太阳照亮时的样子
嫦娥四号虽然携带了同位素热电池，但主要的电力来源仍然是其太阳能电池板。为了能让其在着陆过程中得到充分的电能供应，设计者们希望嫦娥四号能在光照条件较好的时间实施着陆。同时，较好的光照还可以让探测器在落月的关建过程中躲过月夜里的极寒。实际上，嫦娥四号早在12月12日就已经来到了月球附近，完成近月制动并成功进入绕月轨道，但那一天是农历的初六，月球背面刚好处于夜间。因此，嫦娥四号要在绕月轨道上等待一段时间，直到月球的背面天亮后，再择机实施着陆。
发射窗口限制多
但是，问题到这里还没有完全解决。既然奔月之旅只需要五六天，为什么嫦娥四号要早早上路呢？
在人类现有的航天技术条件下，航天器在太空中并非自由的飞行，而是总要考虑地球、太阳、月球等大天体的引力作用。如果要从地球出发去往月球附近，最常用的路径是一条被称为“霍曼转移轨道”的路径。转移轨道是一条大椭圆轨道，椭圆的一侧接近地球，而另一侧则位于月球附近。去往月球的探测器由地面发射后，首先由火箭的上面级提供能量，加速进入这条地月转移轨道。待到达月球附近后，再利用自身或火箭上面级的发动机减速，被月球引力捕获，从转移轨道上脱离，成为环绕月球的飞行器。
在嫦娥一号任务中，无论是在地球附近还是在月球附近，都要经过多次轨道调整的过程。在地球附近，嫦娥一号首先进入了一条周期为16小时的轨道，之后又陆续进入了周期为24小时和48小时的轨道。在这三条轨道上总共运行调整五天后，嫦娥一号才进一步进入了地月转移轨道。而在月球附近，它则先减速进入了一条环绕月球的12小时轨道，之后经过3.5小时轨道过渡后最终进入了周期约2小时，距离月球表面约200km的工作轨道（也称“使命轨道”）。
嫦娥一号轨道示意图
到嫦娥二号时，飞船测控和动力控制技术的提高使得嫦娥二号在发射后由运载火箭直接送入了地月转移轨道，无需在地球附近进行三次轨道调整。而到达月球附近后，还需要像嫦娥一号那样逐步进行轨道调整。而在嫦娥三号任务时，除了发射后直接进入地月转移轨道外，嫦娥三号在月球附近减速制动时也无需再调整三次，直接进入了距离月球表面约100公里的圆轨道。
嫦娥二号轨道示意图，在地球附近没有经过三次轨道调整，而是直接进入了地月转移轨道
看起来，去往月球似乎是一件随时都可以出发的事，只要事先计算好进入进入转移轨道的时机和位置，使得到达转移轨道的远地点时恰好和月球相遇就可以了。然而，在实际任务中，在火箭运载能力一定的情况下（无论火箭推力多大），要将重量尽可能大的有效载荷成功送到月球，就要考虑对轨道设计的各种限制因素。例如，转移轨道的轨道倾角受到发射场位置的限制，不能低于发射场的地理纬度。同时，西昌卫星发射基地位于内陆地区，为了保证火箭飞行过程中完成工作的助推器、一子级等不落入人口稠密地区，对火箭的飞行方向也有限制，进一步限制了能够进入的转移轨道。此外，地月转移轨道和飞行器在月球的使命轨道必须相匹配，使飞行器以较为节省燃料的方式脱离转移轨道。
嫦娥三号轨道示意图，脱离转移轨道后直接进入了环绕月球的圆轨道
虽然目前还没有关于嫦娥四号发射窗口情况的公开资料，但根据上文介绍的那些约束限制和以往任务的情况，在一段时间内发射窗口的数量是非常有限的。同时，嫦娥四号的工作需要鹊桥中继星的配合，嫦娥四号要在中继星成功发射半年、工作状态已经稳定后才能启程奔月。鹊桥和嫦娥四号的中继星的发射窗口还要相互配合，对各自的发射时间给出了进一步的限制。因此，嫦娥四号之所以要在月球附近“等天亮”，很大程度上也是由轨道与发射窗口的限制所决定的。
按照计划，嫦娥四号从发射到着陆的飞行时间约为27天。当2019年新年的钟声敲响的时候，我们也可以静候这位中国派往月之暗面的使者，将会在2019年伊始给我们带来新的惊喜。
