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是谁把嫦娥四号送上了月球?

  出品:科普中国

  制作:星之队

  监制:中国科学院计算机网络信息中心   

  嫦娥四号于2018128日发射成功,并于20181212日成功被月球引力捕获,进入绕月轨道。到目前为止嫦娥四号已经绕月球飞行了十多天了,目前正在寻找合适的时机进行登月,如果一切顺利的话,嫦娥四号(将)于20191月初(目前定为13日)进行月球登陆,届时将会是人类的探测器首次着陆造访月球背面。

  

  月球的正面(左)和背面(右)图,可以看出,月球背面的陨石坑明显多于月球正面,因此,月球可以说为了地球的安危“挨了”不少的陨石撞击。(图片来源:https://blogs.voanews.com/science-world/2012/03/16/why-we-never-see-the-far-side-of-the-moon/   

  嫦娥四号是我国嫦娥工程第二阶段的登月探测器──它是嫦娥三号的备份卫星。虽然刚开始的时候嫦娥四号的身份只是一个“备胎”,但是在嫦娥三号带着“玉兔”号月球车成功着陆到月球上以后,嫦娥四号就被赋予了新的使命,一下子成了主角——它要实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。

  

  嫦娥四号发射成功(图片来源:   

  嫦娥四号发射成功、绕月成功,甚至是登月成功(13号)的背后,谁是最大的功臣呢?有的同学可能会说是研制嫦娥四号的科学家,有的可能会说是指挥嫦娥四号的科学家。这些说法其实都在一定程度上没有错。但是笔者认为,把嫦娥四号送上月球最大的功臣应该是牛顿。上过物理课的同学应该都知道,牛顿是17-18世纪一个伟大的物理学家,他的主要科学成就包括牛顿力学(牛顿三大运动定理),万有引力定律以及微积分。

  

     

  为什么说牛顿是把嫦娥四号送上月球最大的功臣呢?这里就不得不讲讲牛顿的万有引力定律了。万有引力定律其实非常的简单,总结起来就一句话:两个质点彼此之间相互吸引的作用力,是与它们的质量乘积成正比,并与它们之间的距离成平方反比。用公式表示就是:

  F=G*m1m2/r2

  F表示两个物体之间的万有引力,G是万有引力常数,

  m1m2是两个物体的质量,r是两个物体质心的距离。)   

  有了万有引力定律,再结合牛顿的三大运动定律,我们就可以计算出太阳,地球以及月球的随时间的变化,以及嫦娥四号该以什么轨道飞向月球,绕月多久之后进行登月操作等等。就拿嫦娥四号的发射时间来说吧,嫦娥四号的发射时间是2018128号,这是因为要想让嫦娥四号顺利地和月球交会,就要在特定的时间把它发射上去,也就是所谓的发射窗口。嫦娥四号的发射窗口只有128号和9号两天的时间,这个时间就是通过万有引力定律和牛顿的运动定律计算出来的。因为从牛顿的万有引力定律,我们能准确的得知地球和月球的公转轨道数据,从而可以用计算机去模拟发射,选择最好的发射时机。

  

  嫦娥四号登月轨道示意图。这些轨道都是通过万有引力定律精确计算出来的。

  (图片来源:   

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