首登目背的中國(guó)信使

龐之浩

“要聽話，一路走好，不要摔下去了，不要走偏了?！?/h3>

“嫦娥”4號(hào)要上火箭之前，技術(shù)工人師傅摸著探測(cè)器和月球車說。說著說著就掉下眼淚來。

看不到的地方總是多一層神秘色彩，比如月亮背面。不管您是否聽說過那里有外星人的傳言，或者您知道我們?nèi)ピ卤程綔y(cè)的是太陽系內(nèi)已知最大、最深的盆地，亦或者您單純覺得中國(guó)探測(cè)器代表人類第一次登上月球背面很驕傲，本期，我們的專題將帶您更加詳細(xì)、深入地了解月球背面的中國(guó)故事。

這是一個(gè)跨年度的故事，2018年12月8日02：23，“長(zhǎng)征”3號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射成功，直接將“嫦娥”4號(hào)送入近地點(diǎn)200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)約42萬千米的地月轉(zhuǎn)移軌道。飛行4天后，進(jìn)入月球軌道，繞著月球又飛了20多天尋找合適時(shí)機(jī)，終于在2019年1月3日10：26成功著陸于月球背面，成為世界第一個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器，并實(shí)現(xiàn)首次月背與地球的中繼通信。

截至目前，全球已進(jìn)行過約130多次探月活動(dòng)，其實(shí)有探測(cè)器撞擊過月球背面，但是從來沒有一個(gè)探測(cè)器在月球背面進(jìn)行軟著陸。這個(gè)首次，確實(shí)不容易。此前沒有突破這個(gè)第一次，重要的原因是在月球背面著陸的探測(cè)器不能直接和地球站進(jìn)行無線電通信。中國(guó)智慧讓這個(gè)無法直線完成的信號(hào)傳輸“中轉(zhuǎn)”了一下。

可能不如“嫦娥”4號(hào)和“玉兔”2號(hào)有名，但其實(shí)也是本次探索月背系統(tǒng)的重要組成的“鵲橋”中繼星，成為了本次探月任務(wù)的先鋒軍?！版隙稹?號(hào)發(fā)射半年前，“鵲橋”已經(jīng)于2018年6月14日進(jìn)入地月拉格朗日2點(diǎn)（簡(jiǎn)稱地月L2點(diǎn)）的暈軌道。在這個(gè)使命軌道上，“鵲橋”能同時(shí)看到地球和月球背面，并具備在1000米/秒高速在軌飛行中，速度控制精度誤差不大于0.02米/秒的超強(qiáng)本領(lǐng)，從而可為在月球背面著陸的“嫦娥”4號(hào)及“玉兔”2號(hào)與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測(cè)控通信信號(hào)和科學(xué)數(shù)據(jù)。

在發(fā)射“鵲橋”之前，一次國(guó)際會(huì)議上，美國(guó)科學(xué)家向中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁院士提出了合作請(qǐng)求——能不能延長(zhǎng)中繼星的使用壽命，能不能在嫦娥四號(hào)上放美方信標(biāo)機(jī)？吳偉仁問：“要我們的中繼星工作時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)干什么？”美國(guó)人不好意思地說：“我們也準(zhǔn)備到月球背面去，中繼星延長(zhǎng)使用壽命，到時(shí)候美國(guó)也想用用。”我們的“鵲橋”未來還會(huì)發(fā)揮作用，為美國(guó)隨后的月背登陸當(dāng)信標(biāo)機(jī)。

飛往月球的路

按照最初的設(shè)計(jì)，“嫦娥”4號(hào)在近月制動(dòng)前應(yīng)實(shí)施3次軌道中途修正，如上一頁大圖所示。但是據(jù)探月工程的設(shè)計(jì)師透露：探測(cè)器升空后，由于準(zhǔn)時(shí)發(fā)射、準(zhǔn)確入軌，中途軌道修正從3次減為1次，即只于2018年12月9日進(jìn)行了1次，便達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

經(jīng)過約110小時(shí)奔月飛行，2018年12月12日16：39，“嫦娥”4號(hào)在距月面129千米處成功實(shí)施了7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，約5分鐘后發(fā)動(dòng)機(jī)正常關(guān)機(jī)。16：45，嫦娥四號(hào)成功實(shí)施了近月制動(dòng)，順利完成“太空剎車”，被月球捕獲，進(jìn)入了近月點(diǎn)100千米的環(huán)月軌道。這一下“剎車”太關(guān)鍵了，如果“剎車重了”，例如每秒的速度多減30米，可能會(huì)導(dǎo)致它撞上月球；如果“剎車輕了”，探測(cè)器速度過大的話，月球引力也會(huì)拉不住它。

Tips

近月制動(dòng)

給高速飛行在地月轉(zhuǎn)移軌道的航天器減速。使其被月球的引力捕獲，進(jìn)入環(huán)月軌道?！版隙稹?號(hào)飛行110小時(shí)，以10千米/秒左右的速度和月球相遇。此時(shí)它與月球的相對(duì)速度約為2.4千米/秒。到達(dá)制動(dòng)點(diǎn)時(shí)，它需要通過減速發(fā)動(dòng)機(jī)反推將速度降下來。將原本2.4千米/秒的相對(duì)速度降低到1.6千米/秒左右。這一腳“剎車”力度需要極其精準(zhǔn)。

“‘鵲橋是人類首顆地球軌道外的專用中繼衛(wèi)星，也是人類航天器首次涉及地月L2點(diǎn)使命軌道。”

——中繼星副總設(shè)計(jì)師 熊亮

2018年12月12日就進(jìn)入環(huán)月軌道，之所以遲遲不著陸，是為了等待時(shí)機(jī)。由于降落地點(diǎn)處于南極附近，它需要逐漸調(diào)整軌道傾角才能經(jīng)過這里，比較耗時(shí)。且為了使“嫦娥”4號(hào)最終能在白天實(shí)施月球背面軟著陸，從而充分獲取太陽能以便開展工作。不但如此，還要求等待太陽光照在月球的角度達(dá)到理想的狀態(tài)，這樣所有的地貌都會(huì)有比較清晰的陰影，最大程度輔助光學(xué)設(shè)備選擇并定位著陸地點(diǎn)。

從高度約100千米的環(huán)月軌道下降，想必大家都知道了，還需要實(shí)施“太空剎車”。2018年12月30日08：55，再次變軌成功，降軌進(jìn)入近月點(diǎn)高度約15干米、遠(yuǎn)月點(diǎn)高度約100千米的橢圓形環(huán)月軌道，這一腳剎車更是不能差毫厘，當(dāng)時(shí)1.6千米/秒的飛行速度，幾十千米可能一分鐘都不到就飛完了，地面可能剛收到信號(hào)，就已經(jīng)來不及采取補(bǔ)救措施了。

2019年1月3日10：15，嫦娥四號(hào)從距離月面15千米處開始實(shí)施動(dòng)力下降，7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)，逐步將探測(cè)器的速度從相對(duì)月球1.7千米/每秒降到零。在距月面約6千米～8千米處，探測(cè)器進(jìn)行快速姿態(tài)調(diào)整，不斷接近月球；在距月面100米處開始懸停，對(duì)障礙物和坡度進(jìn)行識(shí)別，并自主避障；選定相對(duì)平坦的區(qū)域后，開始緩速垂直下降。約690秒后，“嫦娥”4號(hào)自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)。落月過程中，降落相機(jī)拍攝了多張著陸區(qū)域影像圖。

中國(guó)的一小步

“嫦娥”4號(hào)地形地貌相機(jī)環(huán)拍全景圖

落月后，通過“鵲橋”中繼星的中繼通信鏈路，“嫦娥”4號(hào)探測(cè)器完成了來自遙遠(yuǎn)地球的指揮中心的指令，首先就是太陽翼和定向天線展開，建立了定向天線高碼速率鏈路。11：40，著陸器上的監(jiān)視C相機(jī)獲取了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖并傳回地面。那張照片，當(dāng)天下午在朋友圈刷屏了，我看到最感動(dòng)的轉(zhuǎn)發(fā)語是：我們的探測(cè)器挑戰(zhàn)了看似遙遠(yuǎn)而黑暗的地方，誰給我們的勇氣？中國(guó)！

看到著陸自拍的照片后，地球上的關(guān)注者們就一直等著下一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻——兩器分離。但在此之前，還有很多步驟要完成。分離的準(zhǔn)備工作包含對(duì)“鵲橋”中繼星狀態(tài)、著陸點(diǎn)環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、太陽入射角度等兩器分離的實(shí)施條件，進(jìn)行最終檢查確認(rèn)。

1月3日15：07，北京航天飛行控制中心通過“鵲橋”中繼星向嫦娥四號(hào)探測(cè)器發(fā)送指令，兩器分離開始?！版隙稹?號(hào)著陸器矗立月面，太陽翼呈展開狀態(tài)。巡視器“玉兔”2號(hào)立于著陸器頂部，展開太陽翼，伸出桅桿。解鎖順利分離，“玉兔”2號(hào)開始向轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)緩慢移動(dòng)。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)正常解鎖，在著陸器與月面之間搭起一架斜梯，巡視器沿著斜梯緩緩走向月面。

1月3日22：22，“玉兔”2號(hào)駛抵月球表面。著陸器上監(jiān)視相機(jī)拍攝了它在月背留下第一道痕跡的影像圖，并通過“鵲橋”中繼星順利傳回地面。

科研人員根據(jù)導(dǎo)航相機(jī)拍攝的著陸周圍地形信息，對(duì)巡視器進(jìn)行了路徑規(guī)劃，通過“鵲橋”中繼星發(fā)送了拍照遙控指令。巡視器全景相機(jī)對(duì)著陸器進(jìn)行成像.著陸器地形地貌相機(jī)對(duì)巡視器成像，經(jīng)過地面數(shù)據(jù)接收與處理，1月11日16時(shí)47分，北京航天飛行控制中心大屏幕上呈現(xiàn)出著陸器和巡視器的互拍影像圖。圖像清晰顯示了著陸器和巡視器周圍的月背地形地貌，兩器上五星紅旗分外醒目。

備份者的進(jìn)步

“精確著陸避障是著陸器自主實(shí)現(xiàn)的，是人工智能在嫦娥4號(hào)上的一次完美應(yīng)用。”

——著陸器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 關(guān)軼峰

大家都說“嫦娥”4號(hào)跟3號(hào)長(zhǎng)得一樣呀。確實(shí)極其相似，因?yàn)?號(hào)是3號(hào)的備份星。那是不是從2013年到現(xiàn)在這5年多，咱們中國(guó)的探測(cè)器沒什么進(jìn)步呀？其實(shí)不然，我們從一個(gè)側(cè)面講講4號(hào)比3號(hào)改進(jìn)的地方。就從著陸方式說起吧，月球正面有較為寬闊的平原，雖然也有許多隕石坑，但即使是坑底也相對(duì)平整，所以“嫦娥”3號(hào)是以弧形軌跡緩慢著陸。著陸區(qū)地形起伏僅800米，相當(dāng)于在華北平原著陸，而嫦娥四號(hào)落區(qū)周圍有海拔10000米高的山，要落在凹地海拔負(fù)6000米處，地形起伏之大可想而知，相當(dāng)于在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸。且月球背面地形相比正面更加復(fù)雜，著陸區(qū)面積相當(dāng)于3號(hào)著陸區(qū)的1/8，隕石坑更多，大坑套小坑，地勢(shì)更陡峭，山峰林立，很難找出再大一些、平坦一些的地方供4號(hào)安身。

由于要在凸凹不平的地方軟著陸，所以需要具有比3號(hào)更準(zhǔn)確的著陸精度。為了不撞到峭壁，“嫦娥”4號(hào)需具備很高的自主導(dǎo)航和避障功能，以便自主尋找地勢(shì)相對(duì)平坦的地區(qū)進(jìn)行著陸，并只能采取近乎垂直的著陸方式，而且著陸時(shí)間短，航程短，風(fēng)險(xiǎn)高。

越過萬米高山降落到負(fù)6000的山谷，動(dòng)力下降航跡的高程差變大，導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)需優(yōu)化動(dòng)力下降策略；著陸區(qū)范圍縮小，探測(cè)器應(yīng)具備高精度著陸控制策略；可能存在地形對(duì)通信和光照的遮擋，探測(cè)器需具備更強(qiáng)的自主功能。還有一個(gè)重要的不同不能忽略，“嫦娥”4號(hào)與地面交流需要通過“鵲橋”中繼星中轉(zhuǎn)，其間會(huì)產(chǎn)生約60秒的延時(shí)，這對(duì)于瞬息萬變的降落過程顯然太久，因此落月全程需要由它自主完成。

工作狀態(tài)上，“嫦娥”4號(hào)也有極大地進(jìn)步?！版隙稹?號(hào)在長(zhǎng)月夜零下180℃的環(huán)境中是不能工作的，而4號(hào)采取新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術(shù)，保證其度過寒冷漫長(zhǎng)的月夜及正常開展探測(cè)工作，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)測(cè)月夜期間淺層月壤的溫度。也就是說，我們將知道月夜真實(shí)的地表溫度了。

針對(duì)月球背面復(fù)雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學(xué)目標(biāo)的實(shí)際需要等因素，對(duì)“玉兔”2號(hào)月球車進(jìn)行了適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)整，在運(yùn)動(dòng)安全、能源供給、科學(xué)探測(cè)和測(cè)控通信等方面均做了特殊的設(shè)計(jì)。尤其在線路方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，使它更強(qiáng)大，既不怕極熱極冷的“廣寒宮”，又能完成更多新任務(wù)。

“嫦娥”3號(hào)攜帶的“玉兔”號(hào)當(dāng)年等待喚醒的那段揪心歷程也成為此次“玉兔”2號(hào)的前車之鑒。有針對(duì)性地進(jìn)行了電纜設(shè)計(jì)與材料應(yīng)用等技術(shù)的改進(jìn)和試驗(yàn)?！坝裢谩?號(hào)月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗(yàn)，同時(shí)也盡量減少電纜裸露在外的面積，減少電纜的故障風(fēng)險(xiǎn)。

最珍貴的科學(xué)實(shí)驗(yàn)

1月11日，完成兩器互拍，地面接收?qǐng)D像清晰完好，中外科學(xué)載荷工作正常，探測(cè)數(shù)據(jù)有效下傳，且搭載科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目順利開展，標(biāo)志著嫦娥四號(hào)任務(wù)圓滿成功。其中科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由“嫦娥”4號(hào)、“玉兔”2號(hào)和“鵲橋”中繼星——“兩器一星”上配置的6臺(tái)國(guó)內(nèi)研制科學(xué)載荷和3臺(tái)國(guó)際科學(xué)載荷完成。

“嫦娥”4號(hào)任務(wù)完成后，我國(guó)將在2019年執(zhí)行探月三期任務(wù)，發(fā)射“嫦娥”5號(hào)采樣返回器，它由上升器、著陸器、軌道器、返回器4個(gè)部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。

“嫦娥”4號(hào)是我國(guó)探月工程四期的第一個(gè)任務(wù)，此后實(shí)施的“嫦娥”6號(hào)計(jì)劃在月球南極進(jìn)行采樣返回任務(wù)。“嫦娥”7號(hào)同樣將在月球南極著陸，計(jì)劃對(duì)月球進(jìn)行一次綜合探測(cè)?！版隙稹?號(hào)除了繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)以外，還要進(jìn)行一些關(guān)鍵技術(shù)的月面試驗(yàn)，為的是論證一個(gè)科幻的問題——“要不要在月球建立一個(gè)科研基地或科研站？”

責(zé)任編輯：武瑾媛

“嫦娥”4號(hào)任務(wù)科學(xué)目標(biāo)

一、開展月球背面低頻射電天文觀測(cè)與研究。由子受到地球電離層的干擾，在地球上難以開展頻率低于10兆赫的射電天文觀測(cè)。月球背面被認(rèn)為是開展低頻射電天文觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)，它屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發(fā)射，月夜期間還屏蔽強(qiáng)烈的太陽射電輻射。

二、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(cè)與研究。

三、試驗(yàn)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(cè)研究。