嫦娥四號為何要去月球背面

馮華

2018年12月8日2時23分，嫦娥四號探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，向遙遠(yuǎn)的太空飛去。它的目的地，是月球背面。后續(xù)經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行之后，嫦娥四號探測器實現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸，開展月球背面就位探測及巡視探測。

月球背面究竟面目如何？探索月球背面又有何意義？嫦娥四號開展哪些科學(xué)研究？我國探月工程走過怎樣的歷程？讓我們循著“嫦娥”的“奔月”軌跡去一探究竟。

月球背面有什么

嫦娥四號是嫦娥三號的備份星。2014年，嫦娥三號任務(wù)圓滿完成后，國防科工局牽頭組織開展了嫦娥四號任務(wù)實施方案調(diào)整的論證工作。綜合考慮國際前沿、科學(xué)價值、經(jīng)濟和技術(shù)可行性等因素，最終確定了月球背面軟著陸和巡視探測的總體方案。

為何要去月球背面？由于月球繞地球公轉(zhuǎn)的周期與月球自轉(zhuǎn)的周期相同，所以月球總有一面背對著地球，這一面稱之為月球背面。因此，人類在地球始終無法看到月球的背面，雖然此前已經(jīng)發(fā)射了100多個月球探測器，其中還包括65個月球著陸器，但僅有不載人的環(huán)繞月球軌道器和載人的阿波羅號曾看到過月球背面。中國科學(xué)院月球與深空探測總體部主任鄒永廖介紹說：“從上世紀(jì)50年代開始，發(fā)射到月球的探測器和軌道器已經(jīng)有100多個。但是從著陸器探測來說，月球背面一次都沒有。嫦娥四號首次在月球背面著陸和就位巡視，這是創(chuàng)造歷史的重大成就?！?/p>

此次嫦娥四號著巡組合體著陸區(qū)，位于月球背面的艾特肯盆地。它是目前發(fā)現(xiàn)的太陽系固體天體中最大最深的盆地，直徑大約2500公里，深度約12公里。其90%的面積都分布在月球背面，只有一小部分在月球正面，具有很高的科研價值。

鄒永廖介紹，月球分為三大地體，即克里普巖地體、斜長高地巖地體、艾特肯盆地地體。前兩個地體都已經(jīng)被巡視探測過，只有艾特肯盆地地體沒有被近距離巡視探測，在科學(xué)上會有很多新發(fā)現(xiàn)。而且月球背面的巖石更加古老，如果能夠獲取更古老的巖石類型等物質(zhì)成分信息，對我們了解月球的化學(xué)成分演化過程有很大幫助。

中國探月工程總設(shè)計師、中國工程院院士吳偉仁說：“一般認(rèn)為這個盆地有可能是當(dāng)時宇宙大爆炸或者后來小天體撞擊形成的，隱含著宇宙最早的一些信息。而且這個盆地的深度有12公里，有助于我們獲取月球深部物質(zhì)的信息?！倍隙鹚奶柎舜沃憣υ虑虮趁娴匦蔚孛?、礦物組分、巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)、地幔物質(zhì)等進(jìn)行科學(xué)探測與研究，為月球資源的開發(fā)利用提供極具價值的第一手資料。

更讓科學(xué)家們感興趣的是，月球背面獨特的電磁場環(huán)境和地質(zhì)特征，非常適合開展低頻射電探測等空間天文學(xué)研究和月球物質(zhì)成分探測等科學(xué)研究。“由于屏蔽作用，在地面上無法開展低頻射電的觀測。而月球背面的磁環(huán)境非常干凈，到月球背面開展低頻射電天文觀測，這一目標(biāo)應(yīng)該說是天文學(xué)家夢寐以求的，可以填補射電天文領(lǐng)域在低頻觀測段的空白?！编u永廖說。

嫦娥四號任務(wù)是什么

2016年1月，嫦娥四號任務(wù)經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)正式實施，包括中繼星和探測器兩次任務(wù)。為了實現(xiàn)著陸在月球背面的探測器與地球的測控通信和數(shù)據(jù)傳輸，我國于2018年5月21日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了“鵲橋”中繼星，搭建起地月信息聯(lián)通的“天橋”。目前，“鵲橋”中繼星進(jìn)入環(huán)地月拉格朗日L2點使命軌道，狀態(tài)正常。

嫦娥四號任務(wù)的工程目標(biāo)，一是研制發(fā)射月球中繼通信衛(wèi)星，實現(xiàn)國際首次地月拉格朗日L2點的測控及中繼通信;二是研制發(fā)射月球著陸器和巡視器，實現(xiàn)國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。

在科學(xué)任務(wù)方面，嫦娥四號主要是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究;開展月球背面巡視區(qū)形貌、礦物組分及月表淺層結(jié)構(gòu)探測與研究;試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環(huán)境探測研究。

“嫦娥家族”有哪些成員

在嫦娥四號發(fā)射成功之際，中國的探月之路值得盤點。探月工程也叫嫦娥工程，是我國航天繼人造地球衛(wèi)星和載人航天之后的第三個里程碑，是國家重大科技專項的標(biāo)志性工程。計劃在2020年前按“繞、落、回”的發(fā)展思路分3期組織實施，實現(xiàn)探月工程既定目標(biāo)。

——探月工程一期（2004年—2009年）：2004年1月23日，國務(wù)院批準(zhǔn)了國防科工委、財政部《關(guān)于繞月探測工程立項的請示》，標(biāo)志著月球探測工程一期——繞月探測工程正式立項，從而開啟了探月工程的光榮征程。

——探月工程二期（2008年—2014年）：2008年2月15日，國務(wù)院批準(zhǔn)探月工程二期立項。主要目標(biāo)是實現(xiàn)在月面軟著陸，開展月面就位探測與自動巡視勘察。

——探月工程三期（2011年至今）：2011年1月7日，國務(wù)院批準(zhǔn)探月工程三期立項，標(biāo)志著探月工程“繞、落、回”三步走最后一步正式啟動。三期工程擬實施兩次采樣返回任務(wù)，分別命名為嫦娥五號和嫦娥六號任務(wù)，將首次采用無人月球軌道交會對接方式實現(xiàn)月面自主采樣返回。為降低工程風(fēng)險，探月三期決定實施一次再入返回飛行試驗。再入返回飛行試驗驗證了地月空間往返一系列關(guān)鍵技術(shù)任務(wù)。

從探月工程一期至今，截至嫦娥四號任務(wù)前，我國共進(jìn)行了4次發(fā)射，可謂成果顯著。

——2007年10月24日嫦娥一號成功發(fā)射，11月26日，嫦娥一號衛(wèi)星傳回第一幅月球圖片數(shù)據(jù)，標(biāo)志著探月工程一期任務(wù)圓滿成功。嫦娥一號衛(wèi)星在軌有效探測16個月，于2009年3月1日受控撞月，為工程畫上圓滿的句號。探月工程一期首次實現(xiàn)我國自主研制的衛(wèi)星進(jìn)入月球軌道;利用CCD立體相機對月球進(jìn)行環(huán)繞探測，獲取了120米分辨率的全月影像圖以及鈾元素含量分布圖等。

——嫦娥二號任務(wù)。2010年10月1日嫦娥二號成功發(fā)射，經(jīng)過在軌探測10個月后，于2011年8月25日飛赴日地拉格朗日L2點，并進(jìn)行環(huán)繞探測;環(huán)繞探測近半年后，飛離L2點，于2012年12月13日，與圖塔蒂斯小行星近距離交會并獲得清晰圖像;之后飛向更遠(yuǎn)的深空，成為我國首顆繞太陽飛行的人造小行星，創(chuàng)造了中國航天器最遠(yuǎn)飛行紀(jì)錄。嫦娥二號為嫦娥三號驗證了部分關(guān)鍵技術(shù)，詳勘了落月區(qū)域;在月球軌道有效探測10個月，利用改進(jìn)的CCD立體相機對月球進(jìn)行了環(huán)繞探測，獲取了世界上首幅7米分辨率的全月圖和1.5米分辨率的局部圖;利用γ射線譜儀、高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器發(fā)現(xiàn)了月表鉻元素和微磁層、太陽風(fēng)加減速等現(xiàn)象;獲取了圖塔蒂斯小行星的清晰圖像;創(chuàng)造了中國航天器最遠(yuǎn)的飛行紀(jì)錄。

——嫦娥三號任務(wù)。2013年12月2日嫦娥三號成功發(fā)射，14日探測器如期著陸，15日著陸器與巡視器（玉兔號月球車）成功互拍，標(biāo)志著嫦娥三號任務(wù)取得圓滿成功。嫦娥三號任務(wù)是我國首次在地外天體軟著陸，為中國航天開創(chuàng)了月面就位探測和機器人巡視探測的新模式。創(chuàng)造了首次研發(fā)地外著陸、巡視航天器平臺，且實現(xiàn)月面遙操作等中國航天的多個首次。

——再入返回飛行試驗任務(wù)。2014年10月24日，探月工程三期再入返回飛行試驗器發(fā)射，經(jīng)過8天的飛行，11月1日，在距地球5000公里處服務(wù)艙與返回器受控分離，返回器以“半彈道跳躍式”高速再入地球大氣層，安全精確著陸在內(nèi)蒙古四子王旗，為嫦娥五號任務(wù)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。此后，服務(wù)艙順利完成了大橢圓停泊軌道飛行段、地月轉(zhuǎn)移段、地月L2點環(huán)繞飛行段、近月制動段和環(huán)月飛行段共5個階段的拓展試驗，取得豐碩成果。