探索月球“新大陸”
——嫦娥四號(hào)月背著陸一周年回顧

文/ 楊詩(shī)瑞

▲ 嫦娥四號(hào)著陸器地形地貌相機(jī)對(duì)玉兔二號(hào)巡視器成像

▲ 玉兔二號(hào)巡視器全景相機(jī)對(duì)嫦娥四號(hào)著陸器成像

2020年1月3日是嫦娥四號(hào)探測(cè)器月背軟著陸一周年紀(jì)念日。2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功著陸在月球背面的預(yù)選地區(qū)，并通過(guò)鵲橋中繼星傳回世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，揭開(kāi)了古老月背的神秘面紗。嫦娥四號(hào)任務(wù)實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次月背軟著陸、首次月背與地球的中繼通信，中國(guó)與多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織開(kāi)展了具有重大意義的國(guó)際合作，開(kāi)啟了人類月球探測(cè)新篇章。2019年，“嫦娥四號(hào)”捷報(bào)頻傳，收獲眾多舉世矚目的科技成果，成為國(guó)際航天界的明星。

2020年1月2日，嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)月球車完成第十三月晝的工作，再次進(jìn)入月夜休眠，玉兔二號(hào)月球車已累計(jì)行駛357.695米，打破人類月球車月面工作時(shí)間紀(jì)錄。“嫦娥四號(hào)”的成功標(biāo)志著我國(guó)由航天大國(guó)不斷向航天強(qiáng)國(guó)穩(wěn)步邁進(jìn)，代表著新時(shí)代中國(guó)人民攀登世界科技高峰的新標(biāo)桿新高度，是中華民族為人類探索宇宙奧秘作出的又一卓越貢獻(xiàn)。

為什么要探測(cè)月球背面——科學(xué)意義和任務(wù)由來(lái)

古人今人若流水，共看明月皆如此。有趣的是，不僅古人今人共看同一輪明月，而且看到的還是明月的同一面——這是因?yàn)樵虑虻淖赞D(zhuǎn)周期與繞地球公轉(zhuǎn)周期一致，所以月球朝向地球的一面始終不變，人類無(wú)法直接觀測(cè)到月球背面的景象。

近60年來(lái)，世界各國(guó)先后開(kāi)展過(guò)110多次探月活動(dòng)，成功實(shí)施了數(shù)十次無(wú)人探月和載人登月，獲得大量關(guān)于月球地形地貌、元素分布、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)等科學(xué)信息。但是，對(duì)月球背面的探測(cè)成果非常有限，前蘇聯(lián)和美國(guó)曾利用繞月探測(cè)器進(jìn)行月背地形觀測(cè)和影像繪制，然而還沒(méi)有探測(cè)器能夠在月球背面著陸，月背探測(cè)猶如隔著一層面紗，始終未能深入。

▲ 嫦娥四號(hào)著陸區(qū)地理實(shí)體命名影像圖

月球背面探測(cè)具有重要的科學(xué)價(jià)值，讓科學(xué)界孜孜以求。一方面，月背地質(zhì)情況與月面不同，研究月背地質(zhì)演化歷史對(duì)理解月球形成、地月系初期歷史和月球深層次構(gòu)造具有重要意義。月球背面分布有大量高地地形，遍布撞擊坑和環(huán)形山。著名的南極-艾特肯盆地位于月背南部，是太陽(yáng)系規(guī)模最大、最古老的撞擊盆地，它成型于39.2億年前，最深處達(dá)13千米，代表其經(jīng)歷的撞擊事件可能挖出月殼深處甚至月幔的物質(zhì)，是研究月球演變歷史和深部物質(zhì)組成的鑰匙與窗口。

另一方面，從月背開(kāi)展電磁波天文觀測(cè)可以獲得人類從未接觸過(guò)的信息，將揭露豐富的科學(xué)內(nèi)容。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們主要通過(guò)電磁波開(kāi)展天文觀測(cè)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)宇宙。人類已開(kāi)展過(guò)紫外、射電、X射線、紅外及毫米波等絕大多數(shù)譜段的觀測(cè)，但由于電離層阻擋和地球射電干擾，未能有效實(shí)施低頻射電天文觀測(cè)。低頻觀測(cè)對(duì)于全天空成像、宇宙黑暗時(shí)期特征、太陽(yáng)物理和空間天氣等具有重要的研究?jī)r(jià)值。月球背面避開(kāi)了地球表面的電磁干擾，成為非常理想的宇宙低頻射電觀測(cè)場(chǎng)所，為研究太陽(yáng)、行星及太陽(yáng)系外天體提供可能，也將為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。

為什么沒(méi)有國(guó)家登陸月球背面？因?yàn)殡y度很大。為什么“嫦娥四號(hào)”一定要挑戰(zhàn)月背著陸？因?yàn)檫€沒(méi)有人去過(guò)，為了探索未知，“沒(méi)有人去過(guò)”就是挑戰(zhàn)的理由。

探月工程十年磨劍，“嫦娥一號(hào)”繪制形成全月地形影像圖和三維立體圖，探測(cè)清楚月球外圍空間環(huán)境以及月表巖石的成分、類型和分布；“嫦娥二號(hào)”完成7米分辨率的全月球數(shù)字影像圖和三維立體圖，探訪日地拉格朗日點(diǎn)；“嫦娥三號(hào)”成功實(shí)施月球著陸，開(kāi)辟我國(guó)月球“巡天、觀地、測(cè)月”的歷史。在一次次探月任務(wù)的積累和前行中，經(jīng)過(guò)一輪輪漫長(zhǎng)而艱苦的反復(fù)論證和嚴(yán)謹(jǐn)試驗(yàn)，“嫦娥四號(hào)”瞄準(zhǔn)登陸月背，跨出人類新的一步。

怎樣探測(cè)月球背面——克服工程難題

探月的每一步邁出，都需要攻克無(wú)數(shù)的科學(xué)技術(shù)難題。通信、著陸區(qū)選擇、登月時(shí)機(jī)、軌道控制和著陸技術(shù)都是“嫦娥四號(hào)”面臨的重大挑戰(zhàn)。

通信是首要問(wèn)題。月背始終背朝地球，探測(cè)器受月球球體阻隔，無(wú)法與地球直接通信，所以月球背面一直沒(méi)有留下人類探測(cè)器的“腳印”。對(duì)此，我國(guó)發(fā)射鵲橋中繼衛(wèi)星，并克服運(yùn)行軌道、通信鏈路設(shè)計(jì)、傳輸時(shí)延等一系列挑戰(zhàn)，打造地月通信橋梁?！谤o橋”運(yùn)行在繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道，位于距地40多萬(wàn)公里、距月6.5萬(wàn)公里的地月延長(zhǎng)線上，地月兩大天體的引力和離心力在此達(dá)成巧妙平衡，“鵲橋”僅用少量燃料即可保持平穩(wěn)，并同時(shí)“看見(jiàn)”月背與地球。這一軌道構(gòu)想曾由美國(guó)在1967年提出，但由于高風(fēng)險(xiǎn)和高技術(shù)復(fù)雜度從未實(shí)現(xiàn)?！谤o橋”勇敢選擇并成功進(jìn)入使命軌道，成為人類首顆月球通信中繼衛(wèi)星。

月球背面山峰林立，地形崎嶇，在哪個(gè)位置更容易實(shí)施軟著陸并有良好的科學(xué)效益？“嫦娥四號(hào)”團(tuán)隊(duì)綜合考察了科學(xué)探測(cè)價(jià)值、中繼通信可見(jiàn)性、熱環(huán)境和光照環(huán)境、著陸過(guò)程航跡高程起伏變化、著陸點(diǎn)散布范圍、探測(cè)器測(cè)控、軌道可達(dá)性、著陸時(shí)太陽(yáng)高度角和推遲著陸的適應(yīng)能力等因素，最終將月背著陸區(qū)定于南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門(mén)撞擊坑。

▲ 第九月晝期間，“玉兔二號(hào)”在月球背面的撞擊坑中發(fā)現(xiàn)了不明膠狀物質(zhì)

“嫦娥四號(hào)”要跨越漫長(zhǎng)的地月距離，切換多個(gè)軌道，并于月背白天實(shí)施軟著陸，這需要在整個(gè)飛行過(guò)程中計(jì)算和保持與日、地、月的相對(duì)關(guān)系。其中，奔月軌道要調(diào)整近月點(diǎn)位置和飛行時(shí)間，讓“嫦娥四號(hào)”的環(huán)月軌道經(jīng)過(guò)著月點(diǎn)上空，并在月背的白天抵達(dá)著月點(diǎn)上空；奔月飛行中，“嫦娥四號(hào)”太陽(yáng)帆板與陽(yáng)光入射方向保持一定范圍的夾角，以保障能量供應(yīng)；奔月和登月過(guò)程中，要保持地面對(duì)“嫦娥四號(hào)”的通信連接，在通信延遲的干擾下預(yù)先開(kāi)展精準(zhǔn)測(cè)控。為滿足多種約束條件，科研人員計(jì)算出分布在2天里的4個(gè)共計(jì)6分鐘的發(fā)射時(shí)間窗口，這對(duì)運(yùn)載火箭的適應(yīng)能力提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要能夠滿足在兩天里迅速切換不同發(fā)射時(shí)間窗口，適應(yīng)任務(wù)需求，要提高火箭主要分系統(tǒng)和重要單機(jī)的可靠性，確保在短至1～2分鐘內(nèi)的窗口內(nèi)準(zhǔn)時(shí)發(fā)射。

月背著陸是終極挑戰(zhàn)。南極-艾特肯盆地的地形和高程圖異常復(fù)雜，航跡地形起伏劇烈，高度變化速度超過(guò)史上任何一次著陸，月背著陸如同風(fēng)暴洋里沖浪。“嫦娥四號(hào)”需要翻越崇山峻嶺抵達(dá)著陸區(qū)，克服地形起伏帶來(lái)的導(dǎo)航誤差。對(duì)此，“嫦娥四號(hào)”團(tuán)隊(duì)優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)和控制，使探測(cè)器進(jìn)入著陸區(qū)域；精細(xì)化發(fā)動(dòng)機(jī)推力的在軌標(biāo)定，優(yōu)化了整個(gè)探測(cè)器動(dòng)力下降和著陸過(guò)程的策略，設(shè)計(jì)了光學(xué)避障、激光三維成像避障、兩輪避障等接力避障方式，保證最終精確著陸。在最終降落階段，“嫦娥四號(hào)”先降后升，而后進(jìn)入長(zhǎng)距離垂直下降過(guò)程，其間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過(guò)程，經(jīng)歷一系列復(fù)雜的“走位”，實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)、定時(shí)、精確”的著陸。

讓構(gòu)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)——“嫦娥四號(hào)”任務(wù)一覽

克服重重困難，突破各類問(wèn)題，“嫦娥四號(hào)”一步一步從構(gòu)想走向現(xiàn)實(shí)。

2018年5月21日，鵲橋中繼星發(fā)射升空，首先進(jìn)入預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過(guò)四天飛行和近月制動(dòng)，順利進(jìn)入月球至地月L2點(diǎn)的轉(zhuǎn)移軌道，并借力飛往地月L2點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)3次軌道捕獲和修正控制，進(jìn)入Halo使命軌道，成為人類歷史首個(gè)造訪這一空間的航天器，為“嫦娥四號(hào)”搭建起地月通信“生命線”。

12月8日，“嫦娥四號(hào)”發(fā)射升空，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過(guò)中途軌道修正和5天旅程，通過(guò)近月制動(dòng)成功進(jìn)入圓形月球軌道，在完成與鵲橋星的兩次通信測(cè)試后再次變軌進(jìn)入落月橢圓軌道。2019年1月3日，“嫦娥四號(hào)”先后完成主減速段、調(diào)姿下降段、懸停段、緩速下降段、緩沖著陸段等過(guò)程，穩(wěn)穩(wěn)地著陸在預(yù)定區(qū)域里，完成人類首次月球背面軟著陸的壯舉。

著陸月面后,在鵲橋星的支持下,玉兔二號(hào)巡視器離開(kāi)著陸器，踏上月球表面，著陸器上的監(jiān)視相機(jī)拍下了“玉兔二號(hào)”在月背的第一道痕跡影像圖，并把世界第一張近距離月背圖傳回地面。1月4日—11日，在首個(gè)月晝工作期內(nèi)，嫦娥四號(hào)著陸器有效載荷開(kāi)機(jī)，開(kāi)始探測(cè)工作，完成對(duì)著陸點(diǎn)周圍地形環(huán)拍；“玉兔二號(hào)”順利完成中繼星鏈路連接，有效載荷開(kāi)機(jī)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目順利開(kāi)展，傳輸探測(cè)數(shù)據(jù)，并與著陸器完成互拍任務(wù)。至此，嫦娥四號(hào)任務(wù)圓滿成功，中國(guó)探月工程取得“五戰(zhàn)五捷”。

1月29日和30日，“玉兔二號(hào)”和嫦娥四號(hào)著陸器先后完成自主喚醒，安全度過(guò)首個(gè)月夜。著陸器的月夜溫度采集器成功監(jiān)測(cè)到第一月夜溫度變化情況，在最低-190℃的長(zhǎng)時(shí)間極低溫環(huán)境中，著陸器和巡視器經(jīng)受住考驗(yàn)，關(guān)鍵設(shè)備按預(yù)定程序通電開(kāi)機(jī)，通過(guò)鵲橋中繼星向地面的通訊和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)穩(wěn)定，按計(jì)劃繼續(xù)開(kāi)展第二月晝的科學(xué)探測(cè)。

之后，“嫦娥四號(hào)”連續(xù)歷經(jīng)月晝?cè)乱箍简?yàn)，開(kāi)展一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，不斷取得新的成果。12月20日，“嫦娥四號(hào)”成功自主喚醒，進(jìn)入第十三月晝，悄然打破蘇聯(lián)“月球車一號(hào)”保持了49年的世界紀(jì)錄，成為人類在月面工作時(shí)間最長(zhǎng)的月球車。嫦娥四號(hào)著陸器上月球中子及輻射劑量探測(cè)儀、低頻射電譜儀按計(jì)劃開(kāi)機(jī)工作，開(kāi)展既定的科學(xué)探測(cè)。玉兔二號(hào)月球車在巡視期間對(duì)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)工作，搭載的紅外光譜儀對(duì)一枚月表石塊進(jìn)行了成像和紅外探測(cè)，全景相機(jī)、中性原子探測(cè)儀、測(cè)月雷達(dá)獲得了大量科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。

截至本刊截稿日，嫦娥四號(hào)著陸器和“玉兔二號(hào)”已完成第十三月晝的工作，按照地面指令進(jìn)入月夜休眠?！版隙鹚奶?hào)”一直保持著飽滿的工作狀態(tài)，在地面團(tuán)隊(duì)的指揮操作下持續(xù)開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)、月殼分層結(jié)構(gòu)探測(cè)、月表環(huán)境探測(cè)等活動(dòng)，不斷豐富人類對(duì)月球的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)更多“中國(guó)壯舉”，取得更多的科學(xué)成就。

嫦娥探月工程是我國(guó)最具標(biāo)志性大型科學(xué)研究項(xiàng)目之一，從“嫦娥一號(hào)”到“嫦娥四號(hào)”，中國(guó)登月探索的腳步從未停止，嫦娥四號(hào)任務(wù)更是為中國(guó)航天邁出了突破性的一步?！版隙鹚奶?hào)”的圓滿成功全面拉開(kāi)我國(guó)探月工程四期和深空探測(cè)工程的序幕。2020年，“嫦娥五號(hào)”將實(shí)現(xiàn)首次月球采樣返回，首顆火星探測(cè)器將進(jìn)行火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)。與此同時(shí)，探月工程后續(xù)任務(wù)正在論證中。未來(lái)，我國(guó)將繼續(xù)開(kāi)展月球地形地貌、物質(zhì)成份、空間環(huán)境的綜合探測(cè)，論證建立月球科研基地并驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)。

▲ 嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)巡視器完成第十三月晝工作，進(jìn)入月夜休眠