看見“看不見的”月背影像

溫志宏 李卓希

2019年2月15日，中國(guó)國(guó)家航天局、中國(guó)科學(xué)院和國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)聯(lián)合召開新聞發(fā)布會(huì)，向全世界發(fā)布嫦娥四號(hào)著陸區(qū)域月球地理實(shí)體命名。2019年2月4日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）批準(zhǔn)了利用探月工程嫦娥二號(hào)和嫦娥四號(hào)高分辨月面影像數(shù)據(jù)申報(bào)的嫦娥四號(hào)著陸點(diǎn)及其附近5個(gè)月球地理實(shí)體命名：嫦娥四號(hào)著陸點(diǎn)命名為天河基地；著陸點(diǎn)周圍呈三角形排列的三個(gè)環(huán)形坑，分別命名為織女、河鼓和天津；著陸點(diǎn)所在馮·卡門坑內(nèi)的中央峰命名為泰山。這是中國(guó)月球探測(cè)工程科學(xué)數(shù)據(jù)成果在月球地理實(shí)體命名上的又一次重要應(yīng)用。

月球地理實(shí)體命名能從一個(gè)側(cè)面反映一個(gè)國(guó)家在月球探測(cè)及科學(xué)研究領(lǐng)域所取得的成績(jī)，體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平。中國(guó)利用探月工程嫦娥二號(hào)和嫦娥四號(hào)高分辨月面影像數(shù)據(jù)申報(bào)嫦娥四號(hào)月球地理實(shí)體的命名獲得批準(zhǔn)，是開展嫦娥四號(hào)科學(xué)研究與應(yīng)用所取得的又一項(xiàng)重要原創(chuàng)性成果，也是中國(guó)對(duì)世界月球探測(cè)的又一貢獻(xiàn)，為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家開展科學(xué)研究和學(xué)術(shù)交流提供了位置標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2019年1月3日上午，嫦娥四號(hào)即將落月之前，嫦娥四號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、總指揮顧問葉培建院士來到項(xiàng)目執(zhí)行總監(jiān)張熇的座位前問她是不是緊張。張熇回答說，有點(diǎn)緊張。葉培建說，沒關(guān)系，別緊張。

嫦娥四號(hào)動(dòng)力下降過程異常驚心動(dòng)魄，那“漫長(zhǎng)”的十幾分鐘后，張熇懸在嗓子眼的心終于落了下來，她轉(zhuǎn)身握住身后葉培建的手，喜極而泣。

嫦娥四號(hào)是嫦娥三號(hào)的備份星，當(dāng)初在去月球正面還是背面的問題上，爭(zhēng)議很大。不少人質(zhì)疑，為什么其他國(guó)家都不去，而你們要去？去了之后有什么價(jià)值？

近日在接受《人民畫報(bào)》專訪時(shí)，張熇表示，研究月背環(huán)境是中外科學(xué)家都?jí)裘乱郧蟮模瑢⒃虑蛘婧捅趁娴奶綔y(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，會(huì)有大量新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

《人民畫報(bào)》：嫦娥四號(hào)從發(fā)射到順利落月的過程中，您最緊張的時(shí)間點(diǎn)是什么？在影響嫦娥四號(hào)成敗與否的諸多因素中，最為關(guān)鍵的是什么？

張熇：有三個(gè)比較緊張的時(shí)間點(diǎn)：第一是火箭發(fā)射，衛(wèi)星能不能準(zhǔn)確入軌，送入軌道之后是否能展開太陽(yáng)能帆板獲得能量；第二是近月制動(dòng)，到了月球附近，如果嫦娥四號(hào)不剎車，它就會(huì)飛出去，所以近月制動(dòng)時(shí)速度增量和姿態(tài)的控制都必須特別精確，要能夠環(huán)繞月球轉(zhuǎn)起來；最緊張的是第三個(gè)時(shí)刻，也就是動(dòng)力下降和整個(gè)著陸過程。與嫦娥三號(hào)相比，嫦娥四號(hào)主要依靠鵲橋中繼星通訊，有2-3分鐘時(shí)延，所以整個(gè)過程不可逆，也沒法干預(yù)，即使發(fā)現(xiàn)哪里不對(duì)，再發(fā)出指令也來不及了。

嫦娥四號(hào)著陸器的每條“腿”上都有觸月開關(guān)，最終我們看到四個(gè)觸月開關(guān)都閉合了，加上降落相機(jī)拍攝的圖像，都證明嫦娥確實(shí)站在了月面上。隨后一個(gè)挑戰(zhàn)是著陸器要自主展開太陽(yáng)能帆板以獲取能量，這一步完成后，就不會(huì)再出顛覆性的問題，這時(shí)才基本放心了。

月背地形比正面崎嶇得多，大坑特別多，所以相對(duì)于嫦娥三號(hào)，嫦娥四號(hào)調(diào)整了動(dòng)力下降策略，軟件控制方面修改比較多。嫦娥三號(hào)是斜面下降，嫦娥四號(hào)在主減速段主要是平飛，然后直接到達(dá)著陸點(diǎn)上空，從距月面6公里開始，幾乎垂直下降到著陸區(qū)，以此來避免航際過程可能遇到的地形起伏。

另外，嫦娥三號(hào)著陸時(shí)，地面工作站是可以看到的，空間時(shí)延非常短，但嫦娥四號(hào)因?yàn)闀r(shí)延變長(zhǎng)，對(duì)故障應(yīng)對(duì)的能力相對(duì)更差，所以我們給四號(hào)增加了不少自主功能，讓它自己來判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否開機(jī)，敏感器工作是否正常等。

《人民畫報(bào)》：在嫦娥四號(hào)和玉兔二號(hào)后續(xù)的月背科考中，可能遇到的問題和挑戰(zhàn)是什么？可能出現(xiàn)的最大的突破性收獲又是什么？

張熇：因?yàn)樵虑虮趁婧驼娴难莼瘹v史不太一樣，因此嫦娥四號(hào)首先希望對(duì)月背地表物質(zhì)分析有新的發(fā)現(xiàn)，這主要依靠月球車上載荷的紅外光譜儀，通過紅外特性分析月壤成分，嫦娥三號(hào)也曾搭載過這個(gè)儀器。嫦娥三號(hào)上的電磁雷達(dá)這次也裝載在了月球車玉兔二號(hào)上，玉兔在行走過程中，通過發(fā)射電磁波和回波的情況來收集月殼分層結(jié)構(gòu)信息，希望玉兔能夠走得遠(yuǎn)一點(diǎn)。

最困難的是低頻射電觀測(cè)，這是嫦娥四號(hào)的新載荷，目的是觀測(cè)宇宙和太陽(yáng)等天體發(fā)出的低頻輻射信號(hào)。難點(diǎn)在于，我們的探測(cè)器本身也發(fā)射出很多低頻電磁信號(hào)。從目前已經(jīng)收到的部分?jǐn)?shù)據(jù)看，還得做很多工作，來進(jìn)一步剔除噪聲，真正分離出宇宙尤其是太陽(yáng)低頻射電信號(hào)。

《人民畫報(bào)》：嫦娥四號(hào)搭載了哪些科研載荷？選擇標(biāo)準(zhǔn)是什么？

張熇：著陸器和月球車上各自有四個(gè)載荷。比如月球車上有全景相機(jī)，用以拍攝圖片供科研使用；還有來自瑞典的中性原子探測(cè)器，主要分析月球上有哪些中性原子。著陸器上搭載著德國(guó)的中子輻射探測(cè)儀，用以探測(cè)月球的中子環(huán)境，這主要是為了實(shí)施月球水冰探測(cè)；著陸器上還裝有地形地貌相機(jī)，用于航拍月表圖像。

中國(guó)國(guó)家科工局向世界征集載荷，但因?yàn)橹亓坑邢?，?guó)際載荷最終帶了4個(gè)。鵲橋中繼星上還加裝了荷蘭的第一射電載荷。

《人民畫報(bào)》：嫦娥四號(hào)和嫦娥三號(hào)最大的不同是什么？

張熇：兩個(gè)衛(wèi)星看起來外觀差不多，實(shí)際上差異挺大的。

首先，因?yàn)殒隙鹚奶?hào)著陸的導(dǎo)航控制策略不同，因此導(dǎo)航敏感器、激光測(cè)距敏感器和微波測(cè)速敏感器等硬件都專門進(jìn)行了針對(duì)月背的更改。

第二是月夜溫度采集，這是嫦娥三號(hào)沒有做到的。月夜溫度到底是多少，美國(guó)阿波羅號(hào)載人登月時(shí)探測(cè)過，也有資料說月壤溫度會(huì)在零下180攝氏度，但中國(guó)沒有自己的數(shù)據(jù)。嫦娥四號(hào)依靠技術(shù)突破，解決了給月夜溫度采集裝置持續(xù)提供電能的問題。著陸器能夠接觸到月壤的位置布了很多測(cè)點(diǎn)，以此獲取月球月壤溫度和其他數(shù)據(jù)。

《人民畫報(bào)》：中國(guó)探月工程和深空探測(cè)今后面臨的艱巨任務(wù)包括哪些？

張熇：隨著嫦娥五號(hào)從月球取樣返回工程的繼續(xù)推進(jìn)，中國(guó)探月工程已經(jīng)基本掌握了探測(cè)地外天體所實(shí)施的“繞落巡回”等常規(guī)步驟。

不過，人類雖然已經(jīng)上百次探測(cè)過月球，實(shí)際上對(duì)月球的認(rèn)識(shí)還非常淺。包括月球的起源，月球上有沒有水，月殼下面是什么，很多科學(xué)問題都沒有研究透徹。中國(guó)月球探測(cè)四期希望著陸探測(cè)月球極區(qū)。這面臨的首要問題就是極區(qū)地形更為崎嶇，而且還存在永久陰影區(qū)，著陸器萬(wàn)一掉落進(jìn)去，就沒法出來了。所以極區(qū)著陸精度要到1公里甚至幾百米以內(nèi)，難度大要求高，因?yàn)橄啾戎?，嫦娥三?hào)是在幾百公里范圍內(nèi)著陸的，嫦娥四號(hào)是在幾公里范圍內(nèi)。

此外，因?yàn)樘?yáng)角度比較低，極區(qū)異常寒冷，永久陰影區(qū)里更是沒有能源和光照，所以對(duì)探測(cè)器供熱和能源持續(xù)方面的設(shè)計(jì)會(huì)有新的困難。

同時(shí)，四期希望能夠更多探測(cè)月壤深層物質(zhì)，這就要求機(jī)器人具備更強(qiáng)大的自主能力，要能夠深度挖掘，能飛起來，還能自己做任務(wù)規(guī)劃。到2030年前，中國(guó)希望能夠在月球上建成一個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的科研站。

在深空探測(cè)方面，中國(guó)的載人登月計(jì)劃還在繼續(xù)，火星、小行星、木星，甚至飛到更遠(yuǎn)的太陽(yáng)系邊界探測(cè)，這些領(lǐng)域面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)非常多，比如軌道設(shè)計(jì)、自主導(dǎo)航、動(dòng)力需要、測(cè)控通訊和能源問題等?？梢哉f，深空的每次探索都是一次大的技術(shù)跨越。

《人民畫報(bào)》：從2001年開始參與探月工程，到擔(dān)任嫦娥四號(hào)探測(cè)器項(xiàng)目執(zhí)行總監(jiān)，您個(gè)人收獲最大的是什么？

張熇：參與探月工程和航天工作讓我更有勇氣面對(duì)困難，解決問題的能力也越來越強(qiáng)。剛參與嫦娥系列時(shí)，我第一次參加發(fā)動(dòng)機(jī)試車，現(xiàn)場(chǎng)聲音非常非常大，在某種工況下聲音不僅巨大而且異常尖銳，我心里非常緊張，后來同事安慰我說，聽多了就好了。還有做力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，整星在不同頻段上會(huì)有共振，聲音越來越大，巨大的轟鳴聲不停地從不同方向傳來，站在力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的旁邊，我擔(dān)心產(chǎn)品出問題，緊張得不行，這對(duì)心理承受能力也是一種鍛煉，后來經(jīng)歷得多了，就相信無論技術(shù)上有多大困難，都可以解決。

我從小就喜歡看星星，喜歡拍攝星空和天文類內(nèi)容，總想著能夠走得更遠(yuǎn)，看到更多的地外天體。長(zhǎng)大后能走進(jìn)深空探測(cè)領(lǐng)域，成為探月團(tuán)隊(duì)的一員，我感覺非常幸運(yùn)。

《人民畫報(bào)》：常有人探討如果外星人真來了地球怎么辦。您如何看待地外文明和來自宇宙的神秘信號(hào)？

張熇：我相信人類不是宇宙中唯一的智慧生命，應(yīng)該還有比我們更智慧的生命存在，雖然我們暫時(shí)看不到他們，也不知哪天會(huì)和他們相遇。

面對(duì)外星人，人類還是要謹(jǐn)慎一些，相信外星人最初對(duì)人類也會(huì)持一種觀望的姿態(tài)。相遇之時(shí)，希望彼此沒有太多的敵意，能夠友好地在宇宙中和諧相處。