“嫦娥4號(hào)”月球背面軟著陸任務(wù)設(shè)計(jì)

吳偉仁，王瓊，唐玉華，于國(guó)斌，劉繼忠，張瑋，寧遠(yuǎn)明，盧亮亮

（探月與航天工程中心，北京 100037）

“嫦娥4號(hào)”月球背面軟著陸任務(wù)設(shè)計(jì)

吳偉仁，王瓊*，唐玉華，于國(guó)斌，劉繼忠，張瑋，寧遠(yuǎn)明，盧亮亮

（探月與航天工程中心，北京 100037）

介紹了“嫦娥4號(hào)”月球背面軟著陸任務(wù)設(shè)計(jì)方案。著陸區(qū)初步選定為月球背面南極–艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地內(nèi)的馮?卡門（Von Kármán）撞擊坑內(nèi)。采用中繼星實(shí)現(xiàn)著陸器和巡視器的對(duì)地通信，并選擇環(huán)繞地月拉格朗日L2點(diǎn)的halo軌道作為其使命軌道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭，分別完成中繼星和著陸器–巡視器組合體的發(fā)射。兩器一星上共配置了6臺(tái)國(guó)內(nèi)研制科學(xué)載荷和3臺(tái)國(guó)際合作科學(xué)載荷，開(kāi)展以低頻射電天文觀測(cè)、巡視區(qū)形貌、礦物組份及淺層結(jié)構(gòu)為主的科學(xué)探測(cè)。此外，還搭載了2顆月球軌道編隊(duì)飛行微衛(wèi)星、月面微型生態(tài)圈和大孔徑激光角反射鏡，分別開(kāi)展超長(zhǎng)波天文干涉測(cè)量試驗(yàn)、月面生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)和超過(guò)地月距離的激光測(cè)距試驗(yàn)。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)頂層任務(wù)，充分繼承成熟技術(shù)和產(chǎn)品，增加中繼通信功能模塊，開(kāi)放資源引入高性能載荷和搭載項(xiàng)目，將實(shí)現(xiàn)一次低成本、短周期、大開(kāi)放、高效益的月球探測(cè)任務(wù)。

月球背面；地月L2點(diǎn)；著陸器；巡視器；中繼星

0 引 言

由于月球的自轉(zhuǎn)周期恰好等于其公轉(zhuǎn)周期，因此月球有一面總是對(duì)地球不可見(jiàn)。人類歷史上已經(jīng)有多顆環(huán)繞探測(cè)器對(duì)月球背面進(jìn)行了遙感探測(cè)，但從未有宇航員或探測(cè)器就位探測(cè)過(guò)這一片區(qū)域。

由于受到地球電離層的干擾，在地球上難以開(kāi)展頻率低于10 MHz的射電天文觀測(cè)，在地球軌道甚至月球正面開(kāi)展的空間射電天文觀測(cè)也受到地球電離層反射和人工無(wú)線電的干擾，而月球背面屏蔽了人類活動(dòng)產(chǎn)生的無(wú)線電干擾以及閃電、極光帶來(lái)的無(wú)線電發(fā)射，因此被認(rèn)為是開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)。利用月球背面獨(dú)特的無(wú)線電環(huán)境，開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)，將填補(bǔ)0.1～1 MHz頻段的空白，有望在太陽(yáng)風(fēng)激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束的產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性的成果，為未來(lái)對(duì)宇宙“黑暗時(shí)代”和“黎明時(shí)期”的探索打下基礎(chǔ)。事實(shí)上，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出的DARE（Dark Age Radio Explorer）任務(wù)、DALI（Dark Ages Lunar Interferometer）月球背面超長(zhǎng)波探測(cè)陣列設(shè)想，中歐聯(lián)合提出的DSL（Discovering the Sky at the Longest Wavelengths）任務(wù)設(shè)想等都是瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)問(wèn)題[1-3]。

此外，月球背面保存了最古老的月殼巖石，其斜長(zhǎng)巖高地可能形成于月球巖漿洋的分異結(jié)晶，這是月球形成的兩大學(xué)說(shuō)之一。對(duì)其開(kāi)展形貌、物質(zhì)組成、月壤和月表淺層結(jié)構(gòu)的就位綜合探測(cè)，有望獲得月球最古老月殼的物質(zhì)組成、斜長(zhǎng)巖高地的月壤厚度等重要數(shù)據(jù)，取得對(duì)月球早期演化歷史的新認(rèn)識(shí)。

在“中國(guó)空間科學(xué)未來(lái)十年發(fā)展戰(zhàn)略”和“美國(guó)行星科學(xué)十年規(guī)劃”中，這些科學(xué)探測(cè)活動(dòng)均被列為優(yōu)先發(fā)展方向[4-5]。因此，利用月球背面這一極為特殊的位置資源，開(kāi)展近距離現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，具有顯著的工程意義和科學(xué)價(jià)值。但對(duì)于月球背面任務(wù)來(lái)說(shuō)，探測(cè)器無(wú)法直接同地球通信，必須采用衛(wèi)星中繼的方式實(shí)現(xiàn)器地通信。

在20世紀(jì)60—70年代的第一輪探月高潮中，美國(guó)和蘇聯(lián)開(kāi)展太空競(jìng)賽，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人月球軟著陸探測(cè)和載人登月，但這些探月任務(wù)的著陸點(diǎn)都位于月球正面。由于缺乏中繼通信技術(shù)、工程實(shí)現(xiàn)難度大等原因，兩國(guó)都沒(méi)能實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)科研人員提出了多個(gè)月球背面軟著陸探測(cè)方案。Jack O. Burns等提出了采用Orion多功能乘員艙在地月拉格朗日L2點(diǎn)遙操作著陸器/巡視器進(jìn)行月球背面探測(cè)的任務(wù)方案[6]。文獻(xiàn)[7]提出了一種采用著陸器、巡視器和地月L2點(diǎn)中繼星進(jìn)行月球背面探測(cè)的“嫦娥4號(hào)”任務(wù)設(shè)想。David Mimoun等提出了被稱為“Farside Explorer”的“宇宙憧憬”中等規(guī)模任務(wù)，由兩個(gè)著陸器和一顆中繼衛(wèi)星組成[8]。這一任務(wù)設(shè)想在參加歐洲航天局（ESA）2014年M4級(jí)任務(wù)方案征集時(shí)，縮減為一個(gè)著陸器和一顆中繼衛(wèi)星，名稱則變?yōu)榱薋ARSIDE任務(wù)[9]。

2014年以來(lái)，中國(guó)探月與航天工程中心組織成立了論證組，按照“效益最優(yōu)、承上啟下、創(chuàng)新引領(lǐng)、體現(xiàn)開(kāi)放”的原則，綜合權(quán)衡科學(xué)價(jià)值、社會(huì)效應(yīng)、技術(shù)難度等多種因素，論證確定了“嫦娥4號(hào)”著陸月球背面并開(kāi)展巡視勘察這一任務(wù)目標(biāo)和相應(yīng)的技術(shù)方案。目前，“嫦娥4號(hào)”任務(wù)處于方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證階段，即將轉(zhuǎn)入正樣研制階段。

1 任務(wù)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)探月工程二期的實(shí)施，月球軟著陸探測(cè)所需的基礎(chǔ)設(shè)施、關(guān)鍵技術(shù)[10]以及探測(cè)器部分平臺(tái)產(chǎn)品已經(jīng)具備。經(jīng)過(guò)深入論證和多方案反復(fù)比較，確定對(duì)已有的著陸器和巡視器進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，并新增一顆中繼星及一枚火箭，開(kāi)展月球背面軟著陸和巡視探測(cè)，實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)和空間科學(xué)的雙重跨越和創(chuàng)新。此外，為充分利用工程余量、提高工程展示度和整體效益，經(jīng)充分論證，遴選確定了3個(gè)創(chuàng)新性強(qiáng)、綜合效益高、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的搭載試驗(yàn)項(xiàng)目。

“嫦娥4號(hào)”的技術(shù)路線是：瞄準(zhǔn)當(dāng)今世界前沿，創(chuàng)新設(shè)計(jì)頂層任務(wù)，引領(lǐng)月球探測(cè)；充分繼承成熟技術(shù)和產(chǎn)品并進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，完善部分功能模塊，通過(guò)集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)低成本、短周期、高效益的任務(wù)；通過(guò)開(kāi)放資源引入高性能載荷和搭載項(xiàng)目，進(jìn)一步提升工程綜合效益，形成國(guó)際合作、國(guó)內(nèi)開(kāi)放的平臺(tái)。

1.1 任務(wù)目標(biāo)

“嫦娥4號(hào)”任務(wù)的工程目標(biāo)為[11]：①實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察；②實(shí)現(xiàn)首次地月L2點(diǎn)中繼星對(duì)地對(duì)月的測(cè)控、數(shù)傳中繼。

科學(xué)目標(biāo)主要包括以下3個(gè)方面[11]：①月基低頻射電天文觀測(cè)與研究；②月球背面巡視區(qū)形貌和礦物組分探測(cè)與研究；③月球背面巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)與研究。

1.2 著陸區(qū)

遵循工程技術(shù)上可行、科學(xué)上有特色的原則，初步考慮將“嫦娥4號(hào)”的著陸區(qū)選為月球背面南極–艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地內(nèi)的馮·卡門（Von Kármán）撞擊坑內(nèi)。SPA盆地被認(rèn)為是太陽(yáng)系內(nèi)最大、最古老的撞擊坑，保存了原始月殼的巖石，具有極高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。馮·卡門撞擊坑位于SPA盆地的中部，直徑約186 km，中心坐標(biāo)為（44.8°S，175.9°E），如圖 1所示。

圖 1 月球背面的馮·卡門撞擊坑Fig. 1 Von Kármán crater on the lunar farside

該撞擊坑是SPA盆地中典型地貌類型，物質(zhì)成分和地質(zhì)年代具有明顯的代表性。撞擊坑內(nèi)的釷、氧化鐵、二氧化鈦等含量均較高，且高程很低，同時(shí)物質(zhì)組成的異?？臻g分布可能提供該地區(qū)火山活動(dòng)以及月殼活動(dòng)線索，有利于開(kāi)展月殼活動(dòng)研究，并對(duì)月幔玄武巖起源研究有重要意義。因此，馮·卡門撞擊坑具有較高的科學(xué)探測(cè)價(jià)值，被認(rèn)為是未來(lái)載人月球探測(cè)的候選著陸點(diǎn)之一[12]。

另一方面，馮·卡門撞擊坑的南部地勢(shì)相對(duì)較為平坦，從北往南著陸航跡上的高程起伏較小，且其緯度與“嫦娥3號(hào)”的虹灣著陸區(qū)相近，因此在著陸安全性、熱控、光照、測(cè)控通信等方面具有較為有利的條件和較強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。

1.3 發(fā)射窗口

月球和深空探測(cè)任務(wù)對(duì)發(fā)射窗口的要求十分嚴(yán)格，一方面由于天體之間相對(duì)關(guān)系使得發(fā)射機(jī)會(huì)十分有限，另一方面發(fā)射窗口寬度的長(zhǎng)短將影響探測(cè)器用于修正軌道的推進(jìn)劑的用量的多少。

“嫦娥3號(hào)”任務(wù)要求實(shí)施發(fā)射的月份有連續(xù)3 d具備發(fā)射條件，每天兩個(gè)相隔40 min以上的發(fā)射窗口，第一窗口寬度4 min，第二窗口寬度1 min[13]。

“嫦娥4號(hào)”任務(wù)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了發(fā)射場(chǎng)和運(yùn)載火箭系統(tǒng)組織發(fā)射的能力，將每月連續(xù)3 d可發(fā)射的約束改為連續(xù)2 d可發(fā)射，為探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)和推進(jìn)劑攜帶量?jī)?yōu)化創(chuàng)造了有利條件。中繼星和著巡組合體分2次發(fā)射，兩次發(fā)射之間相隔約半年。

1.4 中繼軌道

中繼星軌道可采用環(huán)月軌道或地月L2點(diǎn)軌道。環(huán)月軌道的通信弧段短，會(huì)有連續(xù)若干天出現(xiàn)通信中斷。地月L2點(diǎn)軌道是適合中繼的理想地點(diǎn)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①在此處地球和月球的引力之和使得中繼星與月球同步繞地球運(yùn)行，因此中繼星能夠連續(xù)對(duì)地球和對(duì)月球背面同時(shí)可見(jiàn)，提供全時(shí)段中繼服務(wù)；②光照條件好，航天器很少被地球或月球遮擋；③此處受地球和月球的影響小，中繼星長(zhǎng)期運(yùn)行所需軌道維持量較小。中繼星與地球的可視性如圖 2所示。經(jīng)過(guò)比較分析，選擇地月L2點(diǎn)軌道作為“嫦娥4號(hào)”中繼星使命軌道。

圖 2 繞地月L2點(diǎn)運(yùn)行的中繼星和地球之間的可視性Fig. 2 The line-of-sight visibility between the Earth and relay satellite around the lunar L2 point

2 系統(tǒng)方案

“嫦娥4號(hào)”工程由探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。

2.1 探測(cè)器系統(tǒng)

探測(cè)器系統(tǒng)由著陸器、巡視器和中繼星組成。2.1.1 著陸器和巡視器

著陸器和巡視器基本繼承了“嫦娥3號(hào)”的狀態(tài)，并根據(jù)新的任務(wù)需求進(jìn)行了適應(yīng)性更改，主要包括：針對(duì)月球背面地形條件調(diào)整了著陸導(dǎo)航控制策略；針對(duì)中繼通信的新需求更改了測(cè)控通信分系統(tǒng)軟硬件，針對(duì)新的科學(xué)目標(biāo)和國(guó)際合作需求調(diào)整了有效載荷配置。

特別地，為進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)月球特性，獲取第一手工程參數(shù)，著陸器將開(kāi)展月夜期間月壤溫度測(cè)量。為此采用基于238Pu同位素?zé)嵩矗≧HU）的同位素溫差發(fā)電器（RTG），在月夜期間既可提供不小于2.5 W的電功率，還能提供大量熱能用于艙內(nèi)溫度控制。

著巡組合體飛行狀態(tài)構(gòu)型如圖 3所示，其發(fā)射質(zhì)量約3 780 kg。著陸器設(shè)計(jì)壽命6個(gè)月，巡視器設(shè)計(jì)壽命3個(gè)月。

圖 3 著巡組合體飛行狀態(tài)構(gòu)型Fig. 3 Flight configuration of relay satellite

2.1.2 中繼星

中繼星基于成熟的CAST100衛(wèi)星平臺(tái)研制。衛(wèi)星本體為長(zhǎng)方體構(gòu)型，采用板式結(jié)構(gòu)形式，頂部安裝大口徑的傘狀拋物面天線，如圖 4所示。

圖 4 中繼星工作狀態(tài)構(gòu)型Fig. 4 Working configuration of relay satellite

中繼星采用“星敏感器+光纖陀螺”定姿方式和整星零動(dòng)量控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地、對(duì)月、對(duì)日的三軸穩(wěn)定控制。采用單組元推進(jìn)系統(tǒng)，配置12個(gè)5 N發(fā)動(dòng)機(jī)和4個(gè)20 N發(fā)動(dòng)機(jī)，攜帶約100 kg無(wú)水肼推進(jìn)劑，可提供超過(guò)500 m/s速度增量的軌道機(jī)動(dòng)能力。采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣和鋰離子電池組為星上設(shè)備提供能源，采用半調(diào)節(jié)供電母線及分散式的配電體制。

中繼星采用再生轉(zhuǎn)發(fā)模式，對(duì)地測(cè)控?cái)?shù)傳與對(duì)月中繼具備同時(shí)工作的能力。為避免發(fā)生干擾，對(duì)各通信鏈路頻率進(jìn)行兼容性設(shè)計(jì)。對(duì)地測(cè)控采用S頻段統(tǒng)一載波體制，配置低增益螺旋天線。對(duì)月中繼采用口徑4.2 m的傘狀拋物面天線，發(fā)射時(shí)收攏，入軌后展開(kāi)，收發(fā)共用；其中前向鏈路采用X頻段統(tǒng)一載波體制，返向鏈路采用X頻段BPSK抑制載波體制，對(duì)著陸器的返向接收碼速率最大為560 kbps，對(duì)巡視器的返向接收碼速率最大為280 kbps。對(duì)地?cái)?shù)傳采用S頻段BPSK抑制載波體制，配置中增益螺旋天線，碼速率最大為2 000 kbps；在分時(shí)工作模式下，還可通過(guò)姿態(tài)機(jī)動(dòng)利用對(duì)月通信的大口徑拋物面天線實(shí)現(xiàn)X頻段對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸，碼速率可達(dá)1萬(wàn)kbps。中繼星通信鏈路如圖 5所示。

圖 5 中繼星通信鏈路Fig. 5 Communication links of relay satellite

2.2 運(yùn)載火箭系統(tǒng)

運(yùn)載火箭系統(tǒng)包括兩枚運(yùn)載火箭。

采用“長(zhǎng)征4號(hào)丙”（CZ-4C）運(yùn)載火箭發(fā)射中繼星，選用直徑2 900 mm整流罩和直徑937 mm衛(wèi)星適配器。采用“長(zhǎng)征3號(hào)乙”（CZ-3B）運(yùn)載火箭發(fā)射著巡組合體，選用4000F型整流罩和直徑1 750 mm接口有效載荷支架。

2.3 發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)

發(fā)射場(chǎng)均采用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。其中，CZ-4C火箭將首次在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，因此需對(duì)發(fā)射工位和推進(jìn)劑加注系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)施進(jìn)行適應(yīng)性改造。

2.4 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)由運(yùn)載火箭測(cè)控網(wǎng)、S頻段航天測(cè)控網(wǎng)、深空測(cè)控網(wǎng)、VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)等組成。其中深空測(cè)控網(wǎng)主要包括佳木斯66 m深空站、喀什35 m深空站和即將建成的阿根廷35 m深空站以及3座18 m測(cè)控站。

著巡組合體地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月飛行段的測(cè)控和中繼星的測(cè)控以深空測(cè)控網(wǎng)為主，輔以VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)，測(cè)控覆蓋率達(dá)到90%以上。

著巡組合體動(dòng)力下降段和著陸器、巡視器月面工作期間，深空測(cè)控網(wǎng)通過(guò)中繼星實(shí)現(xiàn)對(duì)月面著陸器和巡視器的遙控和數(shù)據(jù)接收。

2.5 地面應(yīng)用系統(tǒng)

地面應(yīng)用系統(tǒng)包括運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理、科學(xué)應(yīng)用與研究分系統(tǒng)。使用密云50 m、昆明40 m兩個(gè)數(shù)據(jù)接收站并行工作，接收中繼星的探測(cè)數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)發(fā)的著陸器、巡視器探測(cè)數(shù)據(jù)。針對(duì)新增的科學(xué)載荷，進(jìn)行適應(yīng)性修改。

3 科學(xué)載荷

針對(duì)“嫦娥4號(hào)”任務(wù)的三大科學(xué)目標(biāo)和國(guó)際合作需求，探測(cè)器共配置了9臺(tái)科學(xué)載荷，其中包括6臺(tái)國(guó)內(nèi)研制載荷和3臺(tái)國(guó)際合作載荷，見(jiàn)表 1。

表 1 “嫦娥4號(hào)”探測(cè)器配置的科學(xué)載荷和搭載試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Scientific payloads and test instruments on the Chang’e-4 probe

著陸器配置了4臺(tái)科學(xué)載荷，包括國(guó)內(nèi)研制的降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)、低頻射電頻譜儀以及與德國(guó)合作的月表中子與輻射劑量探測(cè)儀。降落相機(jī)用于在著陸器降落過(guò)程中動(dòng)態(tài)拍攝著陸區(qū)域的光學(xué)圖像。地貌相機(jī)用于獲取著陸區(qū)月表圖像并監(jiān)視巡視器月表移動(dòng)。低頻射電頻譜儀用于探測(cè)0.1～40 MHz范圍內(nèi)的太陽(yáng)低頻射電特征和月表射電環(huán)境。月表中子與輻射劑量探測(cè)儀用于測(cè)量月表包括帶電粒子、γ射線和中子的綜合粒子輻射劑量及LET譜，測(cè)量月表快中子能譜和熱中子通量，為未來(lái)載人登月安全活動(dòng)和月表綜合粒子輻射模型修正提供最新數(shù)據(jù)支持。

巡視器配置了4臺(tái)科學(xué)載荷，包括國(guó)內(nèi)研制的全景相機(jī)、紅外成像光譜儀、測(cè)月雷達(dá)以及與瑞典合作的中性原子分析儀。全景相機(jī)用于獲取巡視區(qū)的月表圖像，紅外成像光譜儀用于獲取巡視探測(cè)點(diǎn)的月表光譜數(shù)據(jù)和幾何圖像數(shù)據(jù)，測(cè)月雷達(dá)用于探測(cè)巡視路線上的月壤厚度和月殼淺層結(jié)構(gòu)。中性原子分析儀用于觀測(cè)巡視探測(cè)點(diǎn)0.01～10 KeV能量范圍內(nèi)的能量中性原子及正離子，這將是國(guó)際首次在月表開(kāi)展能量中性原子探測(cè)。

中繼星配置了1臺(tái)科學(xué)載荷，即與荷蘭合作的低頻射電探測(cè)儀，用于探測(cè)來(lái)自太陽(yáng)系內(nèi)天體和銀河系的0.1～80 MHz低頻射電輻射，為未來(lái)太陽(yáng)系外的行星射電探測(cè)提供重要的參考依據(jù)。

4 搭載試驗(yàn)項(xiàng)目

“嫦娥4號(hào)”任務(wù)的搭載試驗(yàn)項(xiàng)目包括月球軌道超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱微衛(wèi)星）、月面微型生態(tài)圈科普載荷和月球中繼激光測(cè)距項(xiàng)目，如表 1所示。

4.1 月球軌道超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星

利用CZ-4C運(yùn)載火箭剩余發(fā)射能力，發(fā)射兩顆微衛(wèi)星，發(fā)射總質(zhì)量為91 kg。兩顆微衛(wèi)星分別搭載一臺(tái)超長(zhǎng)波探測(cè)儀，在月球軌道進(jìn)行深空編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證，開(kāi)展超長(zhǎng)波天文干涉測(cè)量，進(jìn)行超長(zhǎng)波全天空?qǐng)D像獲取、射電頻譜測(cè)量、太陽(yáng)和系內(nèi)行星超長(zhǎng)波射電活動(dòng)觀測(cè)等探索性研究。其中一顆微衛(wèi)星還搭載了一臺(tái)沙特阿拉伯研制的微型光學(xué)相機(jī)，開(kāi)展地月空間成像。微衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)和繞月編隊(duì)工作狀態(tài)構(gòu)型分別如圖 6和圖 7所示。

圖 6 微衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型Fig. 6 Launching configuration of micro satellite

圖 7 微衛(wèi)星繞月編隊(duì)工作狀態(tài)構(gòu)型Fig. 7 Working configuration of circumlunar formation flying micro satellites

4.2 月面微型生態(tài)圈科普載荷

在著陸器上搭載重量為3 kg的月面微型生態(tài)圈，內(nèi)含植物種子及昆蟲(chóng)卵，構(gòu)成簡(jiǎn)單生態(tài)系統(tǒng)，驗(yàn)證在月面太陽(yáng)自然光照條件下植物的光合作用原理，觀測(cè)月面低重力條件下動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀況，積累構(gòu)建太空生命保障系統(tǒng)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，并向公眾普及生物學(xué)知識(shí)。

微型生態(tài)圈搭載的生物物種暫定為馬鈴薯種子和家蠶卵。采用圈柱式結(jié)構(gòu)，通過(guò)頂部10 mm直徑的光導(dǎo)管將太陽(yáng)光引入設(shè)備內(nèi)部，提供植物生長(zhǎng)所需能源；采用聚酯薄膜保溫層和半導(dǎo)體冷熱片，實(shí)現(xiàn)載荷內(nèi)部溫度控制；采用著陸器供電與鋰硫特種電池，協(xié)同實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)供電。通過(guò)內(nèi)置攝像頭對(duì)生物生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行圖像拍攝并傳回地面。

4.3 月球中繼激光測(cè)距

在中繼星上搭載1.6 kg重的單體17 cm大孔徑中空角錐反射鏡（見(jiàn)圖 8），配合地面0.5 m口徑激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和1 m口徑激光接收望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行月球和中繼星之間的激光測(cè)距，預(yù)計(jì)單程測(cè)距誤差優(yōu)于15 mm。該項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次超過(guò)地月距離下的純反射式激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，為“嫦娥4號(hào)”中繼星提供軌道校驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為未來(lái)月球激光測(cè)距科學(xué)實(shí)驗(yàn)和下一代月球激光反射器研制提供技術(shù)驗(yàn)證。

圖 8 激光角發(fā)射鏡Fig. 8 Laser corner retro-reflector

5 任務(wù)過(guò)程

中繼星和微衛(wèi)星將于2018年首先由CZ-4C運(yùn)載火箭送入傾角28.5°、近地點(diǎn)高度200 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約40萬(wàn) km的地月轉(zhuǎn)移軌道，并相繼實(shí)施星箭分離。

中繼星與火箭分離后，在地面測(cè)控支持下，經(jīng)中途修正，在近月點(diǎn)實(shí)施近月制動(dòng)和月球借力，進(jìn)入月球至地月L2點(diǎn)的轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)地月L2點(diǎn)捕獲后，進(jìn)入環(huán)繞地月L2點(diǎn)的使命軌道。使命軌道為Z向振幅約13 000 km、軌道平均周期約為14 d的南族Halo軌道。使命軌道運(yùn)行期間，在測(cè)控和地面應(yīng)用系統(tǒng)支持下，中繼星實(shí)現(xiàn)月球背面的著陸器與地面站之間前向/返向的實(shí)時(shí)和延時(shí)測(cè)控?cái)?shù)傳中繼。中繼星飛行軌道如圖 9所示。

微衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地月轉(zhuǎn)移階段飛行，實(shí)施近月制動(dòng)，進(jìn)入300 km × 3 000 km的環(huán)月橢圓軌道。兩顆微衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì)飛行，開(kāi)展基線長(zhǎng)度為1～10 km、基線變化周期10 d的干涉測(cè)量。

當(dāng)中繼星在工作軌道上穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，著巡組合體由CZ-3B運(yùn)載火箭送入傾角28.5°、近地點(diǎn)高度200 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約42萬(wàn) km的地月轉(zhuǎn)移軌道。著巡組合體在近月點(diǎn)實(shí)施制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)月球捕獲，進(jìn)入100 km環(huán)月圓軌道；在環(huán)月圓軌道運(yùn)行期間，擇機(jī)實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，進(jìn)入100 km × 15 km的橢圓軌道，并擇機(jī)在近月點(diǎn)實(shí)施動(dòng)力下降[15]。整個(gè)動(dòng)力下降過(guò)程分為6個(gè)階段：主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段。

圖 9 中繼星飛行軌道Fig. 9 Flight trajectories of relay satellite

著巡組合體在月球背面馮·卡門撞擊坑完成軟著陸后，進(jìn)行太陽(yáng)翼展開(kāi)并充電、定向天線展開(kāi)并指向地球、推進(jìn)劑鈍化等一系列月面初始化工作。巡視器與著陸器配合完成巡視器解鎖分離、轉(zhuǎn)移釋放、駛離等動(dòng)作，巡視器到達(dá)月面。此后，在中繼星的支持下，著陸器開(kāi)展就位探測(cè)，巡視器按照任務(wù)整體規(guī)劃逐個(gè)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，并把探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面。

6 結(jié) 論

“嫦娥4號(hào)”著陸器和巡視器將于2018年前后在月球背面SPA盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑著陸，有望實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察。在月球背面開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)和形貌、礦物組分、淺層結(jié)構(gòu)、中子及輻射劑量和能量中性原子探測(cè)，有望填補(bǔ)0.1～1 MHz頻段射電天文觀測(cè)的空白，取得對(duì)月球早期演化歷史的新認(rèn)識(shí)。中繼星將實(shí)現(xiàn)首次在地月L2點(diǎn)的中繼通信，開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)和開(kāi)展超過(guò)地月距離的純反射式激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，為未來(lái)太陽(yáng)系外行星射電探測(cè)和月球激光測(cè)距提供參考依據(jù)和技術(shù)驗(yàn)證。搭載的月球軌道超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星、月面微型循環(huán)生態(tài)圈和激光角反射鏡，將進(jìn)一步豐富人類的科學(xué)認(rèn)知，擴(kuò)大科學(xué)普及作用，提高工程的整體效益?！版隙?號(hào)”任務(wù)特點(diǎn)鮮明，預(yù)期成果顯著，將是一次低成本、短周期、大開(kāi)放、高效益的示范性空間探測(cè)任務(wù)。

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王瓊（1983– ），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：月球與深空探測(cè)任務(wù)總體設(shè)計(jì)、星球巡視器任務(wù)規(guī)劃、深空測(cè)控通信技術(shù)等。

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Design of Chang’e-4 Lunar Farside Soft-Landing Mission

WU Weiren，WANG Qiong*，TANG Yuhua，YU Guobin，LIU Jizhong，ZHANG Wei，NING Yuanming，LU Liangliang
（Lunar Exploration and Space Engineering Center，Beijing 100037，China）

The design of the Chang’E-4 lunar farside soft-landing mission is introduced in this paper. The landing area is initially selected as the Von Kármán crater inside the South Pole-Aitken basin on the lunar farside. A relay satellite is used to realize the lander and rover to the ground communication, and a Halo orbit around the second Earth-Moon Lagrangian point is chosen as its mission orbit. The relay satellite and the lander-rover combination are launched by a CZ-4C rocket and a CZ-3B rocket respectively. The lander, rover and relay satellite containing six domestic scientific payloads and three international scientific payloads, have carried out scientific exploration focusing on VLF radio astronomical observation, roving area topography survey, mineral composition and shallow structure investigation. In addition, two formation flying microsatellites on lunar orbit, lunar microecosphere and large-aperture laser angle reflector are launched to carry out ultra-long-wave astronomical interferometry test, lunar surface ecosystem test and laser ranging test over the Earth-Moon distance respectively. By innovatively designing the top-level tasks, adequately inheriting mature technology and products, adding the function module of relay communication, and opening some resources to introduce high-performance payloads and test projects, a low-cost, short-duration, great-openness and high-efficiency lunar exploration mission would be achieved.

lunar farside；Earth-Moon L2 point；lunar landers；rover；relay satellite

V41

A

2095-7777（2017）02-0111-07

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.002

吳偉仁（1953– ），男，中國(guó)工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師，主要研究方向：航天測(cè)控通信與航天系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

[責(zé)任編輯：高莎，英文審校：朱魯青]

吳偉仁，王瓊，唐玉華，等. “嫦娥4號(hào)”月球背面軟著陸任務(wù)設(shè)計(jì)[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（2）：111-117.

Reference format: Wu W R，Wang Q，Tang Y H，et al. Design of Chang’e-4 lunar farside soft-landing mission [J]. Journal of Deep Space Exploration，2017，4（2）：111-117.

2017-03-16

2017-04-10

國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目