解密“嫦娥”：“奔月”也是個(gè)“技術(shù)活”

王麟

皎皎夜空，星云密布，明明皓月，近在咫尺。作為地球的一顆衛(wèi)星，月球在人類(lèi)文明發(fā)展中扮演著多重角色，它既是一片沒(méi)有絲毫生命活力的荒涼之境，也是中外古老神話的文化載體；它既是傳說(shuō)中嫦娥的棲身之地，也是富含稀有金屬之地；它既在三十萬(wàn)千米之外孤獨(dú)游蕩，又永遠(yuǎn)面對(duì)地球依依不舍。

這個(gè)距離我們最近的天體，在最近的半個(gè)世紀(jì)中雖然已經(jīng)揭開(kāi)了一些面紗，但依然還有很多秘密。比如，始終“掩面”的月球另一側(cè)隱藏了哪些秘密？因?yàn)樵虑虮旧碜钃趿说卦轮g的通訊信號(hào)，在很長(zhǎng)的時(shí)間里，我們無(wú)法觀測(cè)和探索。如今，這個(gè)問(wèn)題即將得到解決。我國(guó)已經(jīng)在2018年5月21日成功發(fā)射完成一顆中繼衛(wèi)星“鵲橋”，它的作用就是為即將在2018年下半年發(fā)射的“嫦娥四號(hào)”衛(wèi)星提供中繼通訊服務(wù)。而“嫦娥四號(hào)”衛(wèi)星的使命，就是親臨月球背面，巡視勘察，將月球背面的秘密公之于眾。雖說(shuō)古有“嫦娥奔月”之傳說(shuō)，不過(guò)，今時(shí)今日的“嫦娥奔月”著實(shí)是個(gè)“技術(shù)活”，讓我們?nèi)ヌ絺€(gè)究竟吧！

探月工程頗不易

讓“嫦娥四號(hào)”探查月球背面是我國(guó)探月工程的重要內(nèi)容之一，但是這個(gè)計(jì)劃并非一開(kāi)始就是如此的，因?yàn)椤版隙鹚奶?hào)”只是“嫦娥三號(hào)”的備用星，由于“嫦娥三號(hào)”高質(zhì)量完成了預(yù)定的任務(wù)，“嫦娥四號(hào)”的使命也隨之完成，剛好可以承擔(dān)起探測(cè)月球背面的新任務(wù)。

回顧我國(guó)探月計(jì)劃的發(fā)展歷程，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)龐大的系統(tǒng)性工程一路走來(lái)，頗為不易。我國(guó)的探月計(jì)劃起源于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)論證之后，最終確定了“繞、落、回”三步走的發(fā)展計(jì)劃。

衛(wèi)星所承擔(dān)的任務(wù)迥異?！版隙鹨惶?hào)”是在2007年10月24日成功發(fā)射的繞月探測(cè)器，其主要任務(wù)就是突破繞月探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)月面形狀、主要部分元素及物質(zhì)成分、月壤特性等進(jìn)行綜合探測(cè)，初步建立探月系統(tǒng)。“嫦娥一號(hào)”圓滿實(shí)現(xiàn)了探月工程一期“繞月探測(cè)”的目標(biāo)，被譽(yù)為我國(guó)在航天領(lǐng)域繼人造地球衛(wèi)星和載人航天之后的第三個(gè)里程碑。

第二階段，要完成“落月探測(cè)”任務(wù)，2010年10月1日和2013年12月2日，“嫦娥二號(hào)”和“嫦娥三號(hào)”先后順利升空，完成了預(yù)定任務(wù)，尤其是“嫦娥三號(hào)”攜帶的“玉兔號(hào)”月球車(chē)第一次華麗現(xiàn)身，引來(lái)萬(wàn)眾矚目。這個(gè)階段也完成了突破月球軟著陸、月面巡視勘探等關(guān)鍵任務(wù)，并開(kāi)展月基天文觀測(cè)。

第三階段的“采樣返回”探月計(jì)劃早在2009年就開(kāi)始實(shí)施，其主要任務(wù)就是突破月表自動(dòng)采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、地球大氣高速再入、月球樣品儲(chǔ)存等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次月面自動(dòng)采樣返回，并為載人登月和深空探測(cè)奠定基礎(chǔ)。如今這項(xiàng)計(jì)劃還在緊鑼密鼓地朝著預(yù)定目標(biāo)前進(jìn)，相信在2020年左右，“三步走”的探月計(jì)劃將會(huì)圓滿收官。

而“嫦娥四號(hào)”的任務(wù)依舊屬于第二階段“落月探測(cè)”計(jì)劃的內(nèi)容之一，只不過(guò)，“嫦娥三號(hào)”實(shí)現(xiàn)的是月球正面著陸，而“嫦娥四號(hào)”要完成月球背面的軟著陸和巡視勘探，難度系數(shù)更高。

一座“鵲橋”連地月

由于地球潮汐鎖定的原因，月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一致，月球永遠(yuǎn)只有一面對(duì)著地球，使得我們看不到月球背面，若不通過(guò)某種技術(shù)手段，根本無(wú)法直接發(fā)射探測(cè)器繞到月球背面進(jìn)行探測(cè)，因?yàn)樵虑虮旧怼捌帘巍绷藖?lái)自地球的信號(hào)，使得對(duì)探測(cè)器的遠(yuǎn)程遙控?zé)o法實(shí)現(xiàn)。

但是，月球的這種屏蔽效應(yīng)也有其優(yōu)越之處，那就是當(dāng)月球屏蔽了地球的無(wú)線電、閃電和極光等干擾信號(hào)之后，月球背面就成了免受地球電磁干擾的“寧?kù)o區(qū)”，將有助于探測(cè)器接收來(lái)自宇宙空間的更多微弱信號(hào)，開(kāi)啟非同一般的宇宙測(cè)探視角——在月球背面獨(dú)特的電磁環(huán)境條件下，開(kāi)展低頻射電觀測(cè)研究，取得更多原創(chuàng)性成果。另外，月球背面地形復(fù)雜，遍布大大小小的隕石坑，若能進(jìn)行探測(cè)，還有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙起源的一些寶貴信息。

然而，要想探測(cè)月球背面，就必須發(fā)射探測(cè)器；要想使用探測(cè)器，就必須讓探測(cè)器收到來(lái)自地球的控制信號(hào)。那么如何才能解決這個(gè)技術(shù)難題呢？這可難倒了很多科學(xué)家。幸運(yùn)的是，最終他們找到了一個(gè)非常好的辦法，那就是在靠近月球的太空中選擇一個(gè)點(diǎn)，將一顆中繼通訊衛(wèi)星送到那里，讓衛(wèi)星既能“看”到月球背面，也能“看”到地球，這樣通過(guò)中繼衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)月球背面與地球的通訊聯(lián)絡(luò)，這個(gè)點(diǎn)就叫“地月L2平動(dòng)點(diǎn)”，這個(gè)點(diǎn)恰好處在月球背面與地球的延長(zhǎng)線上，距離月球約為6.5萬(wàn)千米，這里也是地月引力平衡點(diǎn)之一。

完成這個(gè)重要使命的，就是于2018年5月21日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空的“鵲橋”中繼星，它是一顆小衛(wèi)星，自帶直徑4.2米的天線，這是人類(lèi)深空探測(cè)史上口徑最大的通信天線，建立了3條通信鏈路，能夠和地面進(jìn)行雙向高速通信。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為5年，質(zhì)量約425千克，通過(guò)鋰電池和太陽(yáng)能板供電，配置16個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以自動(dòng)調(diào)姿和變軌，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。這顆衛(wèi)星也是建在地球和月球間的一座信息中轉(zhuǎn)站，專(zhuān)門(mén)用來(lái)接收和轉(zhuǎn)發(fā)兩者發(fā)出的信號(hào)，讓月球背面不再是通信盲區(qū)。

“嫦娥四號(hào)”直奔“廣寒宮”

有了“鵲橋”中繼通訊衛(wèi)星作為“利器”，“嫦娥四號(hào)”就可以順利升空直奔月球背面了，預(yù)計(jì)在2018年的下半年，“嫦娥四號(hào)”就會(huì)一路奔襲，來(lái)到目的地，開(kāi)始一場(chǎng)前無(wú)古人的探險(xiǎn)偉業(yè)，探查隱藏在月球背面幾十億年的秘密。

“嫦娥四號(hào)”選擇降落的地點(diǎn)叫“艾特肯撞擊坑”，位于月球的南極，直徑2500千米，深12千米，是月球上最古老、最大和最深的撞擊坑，是一個(gè)精挑細(xì)選的著陸點(diǎn)?！版隙鹚奶?hào)”要實(shí)現(xiàn)四大科學(xué)目標(biāo)，分別是月基低頻射電天文觀測(cè)研究、月球背面巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)研究、月球背面巡視區(qū)地貌和礦物組分探測(cè)研究。

“嫦娥四號(hào)”項(xiàng)目屬于復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用等五大系統(tǒng)組成，其中，探測(cè)器系統(tǒng)包括著陸器、巡視器和中繼星。如今中繼星已經(jīng)發(fā)射，就等著“嫦娥四號(hào)”的著陸器和月球車(chē)大顯身手了。

“嫦娥四號(hào)”的著陸器配置了4臺(tái)科學(xué)載荷，包括國(guó)內(nèi)研制的降落相機(jī)、月形月貌相機(jī)、低頻射電頻譜儀以及與德國(guó)合作的月球表面中子與輻射劑量探測(cè)儀。

這些儀器都有什么用呢？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；而月貌相機(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（兆赫茲）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，目的是為未來(lái)載人登月活動(dòng)和月表綜合粒子輻射模型修正提供最新數(shù)據(jù)支持。

而“嫦娥四號(hào)”的巡視器，也就是月球車(chē)，也配置了4臺(tái)科學(xué)載荷，每臺(tái)儀器都有其獨(dú)特的作用。其中全景相機(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（KeV即1000電子伏特）能量范圍內(nèi)的能量中性原子及正離子，而這將是國(guó)際首次在月表開(kāi)展能量中性原子探測(cè)。

一切就緒，只待東風(fēng)。用不了多久，“嫦娥四號(hào)”將騰空而起，來(lái)到月亮的黑暗面，開(kāi)啟一場(chǎng)令人振奮的新航程，也將我國(guó)探月工程再次向前推進(jìn)一大步。