嫦娥四號傳回 人類首張近距離月球背面照片

喬輝

嫦娥四號的著陸地點位于月球背面南極區(qū)域的馮·卡門環(huán)形山，直徑約180公里，形成于約40億年前。環(huán)形山南部區(qū)域相對平坦，適合探測器著陸。

2019年1月3日上午10點26分，中國嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區(qū)（軟著陸），并通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，揭開了古老月背的神秘面紗，成為人類首次在月球背面軟著陸的探測器，首次實現(xiàn)月球背面與地面站通過中繼衛(wèi)星通信。嫦娥四號將對月球背面環(huán)境進行研究，對月球背面的表面、淺深層進行研究，進行低頻射電天文觀測等。

嫦娥四號如何降落？

2018年12月8日發(fā)射后，嫦娥四號很快達到了第二宇宙速度，直奔月球而去。在經(jīng)過6天的飛行之后，12月12日就來到了月球附近，并且實施了近月點“太空剎車”，并成功被月球的引力捕獲，進入距月面平均高度約100公里的環(huán)月軌道。

2018年12月30日，在地面工作人員的遙控下，嫦娥四號又實施“太空剎車”，由距月面平均高度約100公里的環(huán)月軌道，成功進入近月點高度約15公里、遠月點高度約100公里的橢圓環(huán)月軌道，為擇機著陸做準備。

2019年1月3日，在高度15公里的軌道上，嫦娥四號上的發(fā)動機反推剎車，減小軌道速度，進入動力下降階段。由于月球上沒有空氣，只能采用火箭發(fā)動機反推的方式徐徐下降。動力學下降階段可分為以下步驟：

1.通過主減速階段使嫦娥四號軌道速度降低，并下降至8公里的高度;2.通過快速調(diào)整期進入落月姿態(tài);3.在反推火箭發(fā)動機的托舉下，逐漸下降高度至100米，稍作懸停，對著陸區(qū)域進行檢測尋找安全的落點;4.進入躲避障礙階段，最后30米緩速落月。相對于嫦娥三號，嫦娥四號著陸區(qū)地形復雜，難度更大。

在降落到目標區(qū)域后，著陸器和巡視器組合體要完成一系列步驟：著陸器太陽能帆板打開，著陸器轉(zhuǎn)移機構(gòu)解鎖展開，巡視器太陽帆板、桅桿展開，巡視器移動到著陸器轉(zhuǎn)移機構(gòu)上，著陸器轉(zhuǎn)移機構(gòu)解鎖、下降，巡視器從著陸器轉(zhuǎn)移到月面，完成兩器互拍后分別展開探測工作。

馮·卡門環(huán)形山位于月球背面的位置，嫦娥四號的著陸點位于月球背面南極的馮·卡門環(huán)形山（Von Kármán crater），馮·卡門環(huán)形山是一座巨大的古撞擊坑，直徑大約180公里，形成于約45.5億～39.2億年前，以著名的匈牙利裔美籍工程師西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán）的名字命名。值得一提的是，馮·卡門是錢學森的導師。在剛剛形成的時候，馮·卡門環(huán)形山內(nèi)曾經(jīng)流淌著巖漿，導致南部區(qū)域非常平坦。環(huán)形山中心區(qū)域有一個小山峰，該山峰與北部崎嶇的地形相連。

馮·卡門環(huán)形山位于更大的艾特肯盆地（Aitken basin）中，它以美國宇航員羅伯特·格蘭特·艾特肯的名字命名。該盆地直徑大約2500公里，深13公里，從坑底最深處到最高處落差大約16公里，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，只有一小部分在月球正面。該盆地保存了原始月殼的巖石，收集這個區(qū)域巖石的數(shù)據(jù)可以幫助科學家們更好地理解月球的組成，具有極高的科學研究價值。

艾特肯盆地直徑大約2500公里，相比之下，月球的直徑僅3500公里可見其巨大。紅色代表高海拔地區(qū)、藍色為低海拔地區(qū)（偽彩圖）。

為了保證嫦娥四號平穩(wěn)降落，著陸地點必須要足夠平坦。此外，還要有適合的光照，馮·卡門環(huán)形山所在的緯度既能夠保證有充足的光照，又不至于被熾熱的陽光直射。由于是在月球背面著陸，在著陸器動力下降的過程中是無法與地球直接通信的，要依靠“鵲橋”中繼衛(wèi)星進行信號轉(zhuǎn)接工作。

月球背面與月球正面的地形有很大不同。在月球的正面，分布有大量的月海，占正面總面積的31%。月海并不是月球上的海洋，而是指月面上比較低洼的平原，就是用肉眼能夠看到的那些黑暗色的斑塊。阿波羅11號宇航員就在名叫“靜?！钡牡胤降顷?。在月球背面則布滿了大大小小的環(huán)形山，月海面積僅占1%。1968年，阿波羅8號宇航員William Anders在飛過月球背面時這樣形容他看到的景象：月球的背面看起來就像是我家孩子們玩了一段時間的沙堆，到處坑坑洼洼，亂糟糟一片。

月球為什么有個背面？

要想解釋清楚月球為什么有個背面，就要從潮汐力講起。當我們在海邊的時候，就能直觀看到潮漲潮落現(xiàn)象，這是由于太陽和月球?qū)Φ厍虻某毕?。當潮水進入喇叭口的地形中，水位上漲更加明顯，例如我國錢塘江大潮。

由于月球比太陽近得多，對地球的潮汐力大約是太陽的兩倍，因此我們著重考慮月球?qū)Φ厍虻某毕?。地球和月球其實可以看作一個雙星系統(tǒng)，月球的非均勻引力場加上地球繞系統(tǒng)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，使得地球靠近月球的一側(cè)和遠離月球的一側(cè)都會隆起一個“鼓包”，這兩個“鼓包”都會對地球自轉(zhuǎn)有剎車作用，這也是為什么地球會越轉(zhuǎn)越慢的原因，過幾年就會增加一個閏秒。同理，地球的潮汐力以同樣的方式作用到月球，使月球的自轉(zhuǎn)逐漸變慢，最終使得自轉(zhuǎn)周期等于公轉(zhuǎn)周期，不再繼續(xù)變慢，這種現(xiàn)象在天文學上叫“潮汐鎖定”。

冥王星和卡戎的自轉(zhuǎn)都已經(jīng)潮汐鎖定，它們兩個只能每天面面相覷，彼此看不到對方的后背。潮汐鎖定后的月球，就只有一面朝向地球了，就好像一個人圍繞你一圈圈看一樣，你只能看到他的正面，無法看到后背。

當然，由于月球存在一種“天平動”的現(xiàn)象，在地球上能夠看到月球的面積可達59%。主要是由于月球的軌道其實是一個橢圓以及自轉(zhuǎn)軸與白道面有一個傾角造成的。

蘇聯(lián)和美國的觀測

早在1959年，蘇聯(lián)的“月球三號”探測器就首次拍攝到了月球背面，并把圖像成功傳回地球，并制作了世界第一個月球儀。1965年，蘇聯(lián)“探測器三號”在飛掠月球時，又傳回了25張更清晰的月球背面的照片，從照片中可以看到有一條長數(shù)百公里的鏈狀排列的環(huán)形山。根據(jù)這些珍貴的照片，新的月球儀包含了月球95%的表面。我們都知道阿波羅11號飛船完成人類首次載人登月的壯舉，阿姆斯特朗的“個人一小步，人類一大步”的名言仿佛在腦?；厥?。在此之前，1968年12月阿波羅8號首次進入月球軌道，完成環(huán)月飛行后返回地球，三位宇航員成為第一次用肉眼看到月球背面的人類。從那時起，飛往月球的宇航員都曾在月球軌道上空親眼看到過月球背面。

1962年，美國宇航局的“徘徊者”月球探測器由于計算機出現(xiàn)故障無法工作，最終撞擊在月球背面粉身碎骨，成了首顆在月球背面硬著陸的探測器，當然是沒有發(fā)回任何有用的資料。

1966年到1967年，美國宇航局通過“月球軌道飛行器”項目的系列探測器獲取了大量有關(guān)月球背面的信息。

2010年，美國宇航局的“月球勘測軌道飛行器”（LRO），拍攝到了更加清晰的月球背面照片。

嫦娥四號探月七大亮點

1.實現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸與巡視勘察。

回顧整個人類探月史，無論美國還是蘇聯(lián)，除了美國失靈的一枚探測器墜毀在月球背面外，人類的月表探測都發(fā)生在月球正面。

2.實現(xiàn)月球背面探測器與地面站間的中繼衛(wèi)星通信。

嫦娥四號探測器能夠在月球背面著陸，關(guān)鍵就在于科學家提前把一顆叫“鵲橋”的中繼衛(wèi)星放在了地球和月球連線外側(cè)的“拉格朗日點”上（L2）。有了這顆衛(wèi)星做通信保障，探測器才敢在月球背面著陸，這也是人類首次。

3.國際首次實現(xiàn)在月球背面的甚低頻射電天文觀測。

在太空中，無法阻擋地球無線電的干擾，而月球的背面則是觀測的絕佳場所。月球背面是公認的低頻射電天文的絕佳場所。嫦娥四號或許能為我們打開一扇觀測宇宙的新窗口。

4.入軌精度達到國際先進水平。

嫦娥四號工程分為中繼衛(wèi)星和探測器兩部分，中繼衛(wèi)星“鵲橋”是由長征四號丙運載火箭送到地-月L2點，探測器則由長征三號乙運載火箭送入軌道。同嫦娥三號相比，需要運載火箭將探測器送入更高的地月轉(zhuǎn)移軌道，而其軌道精度要求基本不變。受發(fā)射時間等因素的影響，發(fā)射窗口數(shù)量減少，嫦娥四號工程對運載火箭提出了更高精度和可靠性要求。

5.國內(nèi)首次實現(xiàn)同位素核電池的太空應用。

嫦娥四號首次采用了同位素核電池（钚-238）供電方式，但還只是輔助作用，主要還是靠太陽能板供電。據(jù)科學家介紹，這次使用的核電源功率還比較小，僅2瓦，與電腦上的USB口供電能力差不多，僅在月夜采集溫度的時候采用。

6.國際上首次開展超地月距離的反射式激光測距試驗。

在阿波羅登月期間，宇航員在月面上放置了多個激光角反射器，為人類研究月球的運動情況起了極大作用。地球和月球的距離是38萬公里，而中繼星與地球的距離是45萬公里，還沒有任何國家在這個距離上安裝激光角反射器，而我們的做到了。

7.國際首次開展月球背面中子及輻射劑量、中性原子分布和地-月L2點低頻射電天文觀測研究。

中國嫦娥探月工程無人月球探測，分為“繞、落、回”三個階段。

1.“繞”就是發(fā)射月球衛(wèi)星，“嫦娥一號”和“嫦娥二號”已經(jīng)實現(xiàn)。

2.“落”就是在月球表面軟著陸，“嫦娥三號”已實現(xiàn)在月球的正面軟著陸，本次嫦娥四號實現(xiàn)了在月球背面軟著陸，在月球背面開展科學探測工作，這在全球尚屬首次。雖然是嫦娥三號的備份星，但卻取得了多方面的創(chuàng)新。

3.“回”就是從月球表面采樣返回地球，這樣等待后續(xù)“嫦娥五號”和“嫦娥六號”去實現(xiàn)。