揭開古老月背的神秘面紗

人類首次月球背面軟著陸

自20世紀(jì)50年代起，人類探月的步伐已邁過了半個(gè)多世紀(jì)?；仡櫶皆率?，所有的阿波羅載人任務(wù)、甚至蘇聯(lián)和美國的其他無人著陸月球任務(wù)幾乎都集中在月球正面。之所以一直探測正面、在正面著陸，卻從不去背面，一個(gè)重要原因就是背面著陸的難度系數(shù)加大。

科研人員打了個(gè)比方：“月球正面就相當(dāng)于我國的大平原，地勢平坦，但背面就有點(diǎn)像我國的西南山區(qū)，到處都是高山和撞擊坑，月背可供選擇的著陸區(qū)范圍只有正面的1/8。嫦娥三號(hào)著陸時(shí)可供選擇的區(qū)域范圍長約300千米、寬約90千米，而嫦娥四號(hào)只能在有限的相對(duì)大的撞擊坑里尋找相對(duì)平坦的位置作為著陸區(qū)，選擇范圍長寬各十幾千米。此外，嫦娥三號(hào)當(dāng)時(shí)是斜著降落的，嫦娥四號(hào)如果也是斜著下來就要撞山了。在復(fù)雜的地形下，嫦娥四號(hào)要近乎垂直降落，著陸時(shí)間短、航程短，風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)比較大?！?/p>

終于，此次我國嫦娥四號(hào)探測器成功著陸實(shí)現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸與巡視勘察，還傳回了全球首張近距離拍攝的月背影像圖。但是，這個(gè)過程中有一個(gè)繞不開的問題：站在地球的角度來看，月球背面被正面擋住，那怎樣實(shí)現(xiàn)通信，信號(hào)怎么辦？

事實(shí)上，要想實(shí)現(xiàn)月球背面探測器與地面站間的中繼衛(wèi)星通信，就要布置一顆信號(hào)中繼衛(wèi)星，為著陸器做準(zhǔn)備和全程信號(hào)支持。在2018年5月份，我國就成功部署了“鵲橋”號(hào)中繼衛(wèi)星。這是人類歷史上首個(gè)月球信號(hào)中繼衛(wèi)星，架起了地球和月球背后的“鵲橋”，它將全程見證嫦娥四號(hào)的探測過程，也將負(fù)責(zé)嫦娥四號(hào)的全程通信。

接下來，嫦娥四號(hào)將不負(fù)重托，利用攜帶的荷蘭研制的低頻射電探測儀聆聽遙遠(yuǎn)宇宙的聲音；利用德國研制的月表中子與輻射劑量探測儀，“勘探” 深埋月下的“礦藏”；還將利用瑞典研制的中性原子探測儀，測量太陽風(fēng)粒子在月表的作用。此外，嫦娥四號(hào)還搭載有一項(xiàng)由重慶大學(xué)牽頭研制的科普載荷——“月面微型生態(tài)圈”，在荒涼月表上培育唯一的生命。

月球背面大有洞天

嫦娥四號(hào)探測器成功著陸在月球背面，揭開了月背的神秘面紗。但是，月球?yàn)楹螘?huì)有背面？背面又有些什么？

事實(shí)上，由于月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等，加上被地球潮汐鎖定，地球強(qiáng)大的引力讓月球總是一面朝向地球。

就比如將一個(gè)人比作地球，另一個(gè)人比作月球，兩人面對(duì)面手拉手轉(zhuǎn)圈，就會(huì)發(fā)現(xiàn)只能看到一個(gè)人的正面，并且，自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間和他人繞著轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間相同。所以人類在地球上只能憑肉眼看見月球的正面，背面則看不見。

“月球背面是一片難得的寧靜之地，屏蔽了來自地球的無線電信號(hào)干擾。這次探測可以填補(bǔ)射電天文領(lǐng)域在低頻觀測段的空白，將為研究恒星起源和星云演化提供重要資料?！碧皆鹿こ替隙鹚奶?hào)任務(wù)新聞發(fā)言人在接受媒體采訪時(shí)表示。

據(jù)了解，嫦娥四號(hào)的著陸點(diǎn)位于月球背面南極的馮·卡門環(huán)形山，它是一座巨大的古撞擊坑，而馮·卡門環(huán)形山位于更大的艾特肯盆地中。該盆地直徑大約2 500千米，深13千米，從坑底最深處到最高處落差大約16千米，這是太陽系內(nèi)已知的最大、最古老的撞擊坑。其90%的面積都分布在月球背面，比月球正面多得多。

該盆地保存了原始月殼的巖石，收集這個(gè)區(qū)域巖石的數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家們更好地理解月球的組成，具有極高的科學(xué)研究價(jià)值。

“坐月觀天”及“看地”都是極好的

在研究人員看來，月球這地方之所以如此受青睞，主要是因?yàn)榈囟魏谩?/p>

月球是離地球最近的天體，在月球上可以實(shí)現(xiàn)得天獨(dú)厚的對(duì)天觀測、對(duì)地觀測和對(duì)月觀測。月球上沒有大氣層，其背面沒有無線電噪聲干擾，在那里開展天文觀測，可獲得更暗弱的宇宙信息。同時(shí)，相對(duì)地球來說，月球的地質(zhì)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，有利于開展長期精密的天文觀測。

“特別值得一提的是，月球還有兩個(gè)優(yōu)勢：一是月球南北兩極的永久陰影區(qū)溫度極低，某些地區(qū)只比絕對(duì)零度高二三十?dāng)z氏度，可以進(jìn)行紅外天文觀測；二是月球背面是一片難得的寧靜區(qū)域，沒有任何人為的無線電噪聲干擾，能更靈敏地監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱電磁信號(hào)?！笨蒲腥藛T說。

此外，雖然科學(xué)家目前已經(jīng)有了各種高分辨率衛(wèi)星，但由于距離較近，很難看到地球全貌。而在月球上建立觀測站，可對(duì)地球進(jìn)行全球大尺度觀測，如地殼結(jié)構(gòu)的起伏、地球表面植被和全球氣候變化等。

科研人員還表示，由于月球幾乎沒有大氣和地質(zhì)活動(dòng)，巖石受到的損壞不大，研究月球巖石相當(dāng)于研究地球39億年～40億年前的標(biāo)本，可了解許多地球早期大氣狀態(tài)的信息，甚至有助于人們認(rèn)識(shí)生命、地球、太陽系乃至整個(gè)宇宙的起源和演化歷史。

“鵲橋”傳影的開創(chuàng)性

此次隨嫦娥四號(hào)登月的，還有4臺(tái)神秘的小相機(jī)，包括3臺(tái)監(jiān)視相機(jī)和1臺(tái)降落相機(jī)。這4臺(tái)CMOS（圖像傳感器）相機(jī)如同一個(gè)媒體團(tuán)，在嫦娥四號(hào)到達(dá)月面之前便做好了全方位的分工和準(zhǔn)備，為全球開啟一場“月背”探索現(xiàn)場的視覺盛宴。此次“月背拍攝”任務(wù)的艱巨性在于月背著陸過程的成像具有開創(chuàng)性。

降落相機(jī)——“直播”降落全程

嫦娥四號(hào)著陸器降落在月球背面的艾特肯盆地。降落相機(jī)安置于著陸器的底部艙內(nèi)，在著陸器降落過程中，相機(jī)以較高的幀頻進(jìn)行拍照，直觀地反映月球表面地貌特征和區(qū)域地質(zhì)情況。

監(jiān)視相機(jī)——“監(jiān)視”兩器分離

嫦娥四號(hào)監(jiān)視相機(jī)共有3臺(tái)，主要任務(wù)是對(duì)巡視器與著陸器的釋放分離過程進(jìn)行全程監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)兩器解鎖、巡視器駛離連接支架等關(guān)鍵過程的監(jiān)測。同時(shí)，他們也可以為釋放分離過程中每一個(gè)指令的執(zhí)行情況提供直觀的視覺信息，并對(duì)下一個(gè)指令的執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)提供評(píng)估依據(jù)。巡視器釋放完畢后，裝在著陸器側(cè)面的監(jiān)視相機(jī)可定時(shí)拍攝不同太陽高度角下的月面圖像。

這些只有巴掌大小的相機(jī)看起來與我們平常使用的數(shù)碼相機(jī)無二，最重的不過700克，卻集成了光、機(jī)、電、熱等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)和自動(dòng)曝光、實(shí)時(shí)圖像壓縮等智能化功能，在太空惡劣的輻射、溫度環(huán)境下，能承受發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)，具備動(dòng)態(tài)下清晰拍攝的能力，更具長壽命、高可靠性能，是真正輕小便攜的“航天智造”。

為了讓4臺(tái)相機(jī)發(fā)揮各自功能，在嫦娥三號(hào)CMOS相機(jī)研制基礎(chǔ)上，科研人員針對(duì)月球背面的著陸進(jìn)行了復(fù)核復(fù)算。相機(jī)軟件在原來的基礎(chǔ)上也有適應(yīng)性的修改。因?yàn)殒隙鹚奶?hào)著陸在月球背面，導(dǎo)致探測器直接與地面監(jiān)測站通信需要通過月球中繼衛(wèi)星“轉(zhuǎn)手”，探測器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a速率大幅度降低。針對(duì)這一情況，降落相機(jī)FPGA軟件增加了一種高壓縮比圖像數(shù)據(jù)，完美解決了動(dòng)力下降過程中實(shí)時(shí)圖像觀察與科學(xué)數(shù)據(jù)采集這兩大任務(wù)需求，即探測器動(dòng)力下降過程中，相機(jī)地面軟件實(shí)時(shí)接收降落相機(jī)拍攝的高壓縮比圖像，探測器落月后再回放降落相機(jī)拍攝的科學(xué)數(shù)據(jù)。

降落相機(jī)采集探測器的落月區(qū)域圖像，尤其是對(duì)月球背面成像，對(duì)探測器落月區(qū)域的科學(xué)研究具有重大意義。監(jiān)視相機(jī)對(duì)著陸器和巡視器兩器分離提供重要視覺支持，并完成對(duì)巡視器活動(dòng)區(qū)域的監(jiān)視，其圖像還可用于分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)情況，從而輔助其他載荷進(jìn)行科學(xué)探測。