中國嫦娥探月工程之路回眸

2020年12月17日，嫦娥五號返回器攜帶1731克月球樣品順利返回地球。這是人類時隔40多年后再次完成從月球采樣返回的壯舉，創(chuàng)造了五項中國“首次”，其中一項是世界“首次”。

嫦娥五號探月任務的圓滿完成，也為我國探月工程“繞、落、回”三個發(fā)展階段的戰(zhàn)略規(guī)劃畫上了圓滿句號，映照出中國特色的自主創(chuàng)新之路。

依據(jù)循序漸進、分步實施和不斷跨越的原則，我國探月工程，即“嫦娥工程”，分為“繞月探測、落月探測、采樣返回探測”（簡稱“繞、落、回”）三個發(fā)展階段。

繞 月 探 測

我國探月工程第一階段，即繞月探測任務是通過發(fā)射嫦娥一號繞月探測器實現(xiàn)的，它標志著中國航天向深空探測領(lǐng)域進發(fā)的開始。繞月探測工程由繞月探測器、運載火箭、發(fā)射場、測控和地面應用五大系統(tǒng)組成，歷經(jīng)技術(shù)研究、方案論證、初樣研制、正樣研制和發(fā)射實施五個階段。

該任務有五大工程目標：研制和發(fā)射中國第一顆繞月探測器；初步掌握繞月探測基本技術(shù)；首次開展月球科學探測；初步構(gòu)建月球探測航天工程系統(tǒng)；為月球探測后續(xù)工程積累經(jīng)驗。

該任務還具有四大科學目標：獲取全月面三維影像，這對于更好地了解月球的地質(zhì)構(gòu)造和演化歷史有著重要意義；對月球表面的有用元素（指有開采價值的元素）進行探測，初步編制各元素的月面分布圖；探測月壤特性，獲取月壤厚度的全月分布特征，研究月表年齡及演化，估算月壤中氦3的分布和資源量；探測地月空間環(huán)境，研究太陽活動對地月空間環(huán)境的影響。

2007年10月24日，我國第一個月球探測器——嫦娥一號繞月探測器由長征三號甲火箭送入太空，它于同年11月20日傳回第一幅月面圖像，這是繼東方紅一號人造地球衛(wèi)星、神舟五號載人飛船之后，我國航天事業(yè)發(fā)展的第三個里程碑。

嫦娥一號運行在距月球表面約200千米高的極軌道上。與人造地球衛(wèi)星相比，它采用了較多新技術(shù)，例如軌道設(shè)計、三體定向、溫度控制和紫外敏感器等。

嫦娥一號上搭載了8種科學儀器：

CCD立體相機

獲取月球表面三維立體圖像，分辨率120米；

激光高度計

測量月球表面到衛(wèi)星的高度；

干涉成像光譜儀、γ射線譜儀、X射線譜儀

分別探測月球表面不同物質(zhì)的化學元素；

在世界上首次使用的微波探測儀

測量月球微波輻射特征，從而反演月壤厚度；

太陽高能粒子探測器、太陽風離子探測器

探測從地球至月球的空間環(huán)境。

2008年7月1日，嫦娥一號完成了全月球影像數(shù)據(jù)的獲??；同年10月24日，嫦娥一號在軌一年壽命期滿，完成各項任務。此后，利用嫦娥一號開展了變軌等十余項驗證試驗。為了給探月工程第二階段“探路”，積累落月過程控制和軌道測定的經(jīng)驗，嫦娥一號于2009年3月1日受控撞擊了月球豐富海區(qū)域，成功完成硬著陸，即未經(jīng)專門減速裝置的減速，而以較大速度直接沖撞著陸。

嫦娥一號累計飛行494天，其中環(huán)月482天，比原計劃多飛117天；飛行期間經(jīng)歷3次月食；傳回1.37太字節(jié)有效科學探測數(shù)據(jù)；獲取了全月球影像圖、月表化學元素分布、月表礦物含量、月壤分布和近月空間環(huán)境等一批研究數(shù)據(jù)，填補了中國在月球探測領(lǐng)域的空白。其中，嫦娥一號的CCD立體相機首次實現(xiàn)了月球表面100%覆蓋，使中國制作的全月球影像圖在幾何配準精度、數(shù)據(jù)的完整性與一致性、圖像色調(diào)等方面均處于國際先進水平。

落 月 探 測

從獲取探測數(shù)據(jù)的直接性和豐富性來看，軟著陸探測和巡視勘察是其他探測形式所不能替代的，我國探月第二階段的主要任務就是進行落月探測。該任務是通過先后發(fā)射嫦娥二號、三號來實現(xiàn)的。

嫦娥二號的任務

由于落月探測要突破月球軟著陸、自動巡視勘察、深空測控通信和月夜生存等一系列關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)跨度和實施難度均較大，我國專家反復論證后決定，為了降低落月探測的風險，在發(fā)射我國首個落月探測器嫦娥三號之前，先于2010年10月1日發(fā)射嫦娥二號空間探測器，用來突破嫦娥三號的部分關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥二號運行在距月球表面約100千米高的極軌道上，設(shè)計壽命半年，分辨率7米，主要完成兩大任務：對新技術(shù)進行試驗驗證，對未來的預選著陸區(qū)進行高分辨率成像；獲得更加豐富和準確的探測數(shù)據(jù)，深化對月球的科學認知。

嫦娥二號的科學目標與嫦娥一號一樣，但科學載荷全面升級，且運行軌道低，因此獲得的數(shù)據(jù)精度更高。

與嫦娥一號相比，嫦娥二號實現(xiàn)了六個方面的技術(shù)創(chuàng)新與突破，即嫦娥二號的工程目標：突破了運載火箭直接將月球探測器發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù)；首次試驗了X頻率深空測控通信技術(shù)，初步驗證了深空測控通信體制；首次驗證了100千米月球軌道捕獲技術(shù)；首次驗證了近月點15千米、遠月點100千米軌道機動與快速測定軌技術(shù)；首次試驗了小型降落相機、監(jiān)視相機和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)；通過“俯沖”對嫦娥三號預選著陸區(qū)進行了高分辨率成像，分辨率優(yōu)于1.5米。

2011年4月1日，嫦娥二號的半年設(shè)計壽命期滿。此后，它開展了多項拓展試驗，并于同年8月25日首次實現(xiàn)從月球軌道出發(fā)，受控準確進入日地拉格朗日2點（簡稱日地L2點）環(huán)繞軌道，這使我國成為世界上第三個造訪日地L2點的國家，并開展了日地空間環(huán)境探測。

2012年6月1日，嫦娥二號再次成功變軌，飛往圖塔蒂斯小行星。同年12月13日，嫦娥二號以10.73千米/秒的相對速度，與圖塔蒂斯小行星由遠及近“擦肩而過”，首次實現(xiàn)了我國對小行星的飛越探測，這使我國成為世界第四個探測小行星的國家。

嫦娥二號開創(chuàng)了中國航天通過一次發(fā)射開展月球、日地L2點、小行星等多目標多任務探測的先河。

嫦娥三號的任務

嫦娥三號任務是探月工程第二階段的主任務，探測器由著陸器和巡視器（即玉兔號月球車）組成，實際上是發(fā)射了2個月球探測器，它們分別開展就位探測和巡視探測，這在國際上也是首次。2013年12月2日，嫦娥三號落月探測器成功進入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日，嫦娥三號在月面軟著陸，首次實現(xiàn)我國在地球以外天體的軟著陸，即經(jīng)專門減速裝置減速后，以較小的速度安全著陸，最后無損壞降落到天體表面上。12月15日，嫦娥三號著陸器與玉兔號月球車互相拍照，這標志著嫦娥三號任務取得成功，使我國成為世界第三個掌握落月探測技術(shù)的國家。

該任務的工程目標有3個：突破月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)；研制月面軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站；建立月球探測航天工程基本體系，形成實施重大項目的科學有效的工程方法。

該任務的科學目標也有3個：調(diào)查著陸區(qū)與巡視區(qū)月表地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造；調(diào)查著陸區(qū)與巡視區(qū)月表物質(zhì)成分、月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可利用資源；探測地球等離子體層以及開展月基光學天文觀測。為此，在世界上首次使用了月基光學望遠鏡、極紫外相機和測月雷達。

為完成工程任務，嫦娥三號需要闖過著陸、巡視和月夜生存三大難關(guān)。

著陸器設(shè)計壽命為一年，著陸區(qū)為月球虹灣地區(qū)。馱著玉兔號月球車的著陸器在落月時利用1500～7500牛變推力發(fā)動機以及降落相機（通過降落相機拍攝的視頻來識別地面是否平坦）等一起克服了反推減速、自主控制和著陸緩沖三大技術(shù)難點，于2013年12月14日安全落在了月球虹灣以東區(qū)域。它采用的懸停、避障等智能著陸技術(shù)具有國際先進水平。

此前，國外的月球著陸器多為盲降，所以成功率不高。即使到了2019年，以色列、印度的首個落月探測器也都著陸失敗，所以說在月球進行軟著陸非常不易。

玉兔號月球車的質(zhì)量為137千克，可6輪獨立驅(qū)動、4輪獨立轉(zhuǎn)向，具有爬20°坡、越20厘米高障礙的自主越障和避障能力，移動速度為200米/小時。它首次靠“視覺”完成定位工作，當遇到超過20°的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑時，能夠自主判斷，安全避讓。

落月后，嫦娥三號面臨的最大難關(guān)就是長月夜生存。為此，嫦娥三號首次采用了同位素熱源以及導熱流體回路、隔熱組件和電加熱器等，這相當于給探測器“蓋被子”“生爐子”“開空調(diào)”，以確保艙內(nèi)溫度控制在-50℃～50℃之間，使探測器系統(tǒng)能順利度過約14個地球日、-180℃的長月夜，然后被喚醒工作。

至今，嫦娥三號開展了“測月”“巡天”“觀地”等科學探測，取得了大量科學數(shù)據(jù)，在世界著名科技期刊上發(fā)表了不少科學成果。到2021年5月，嫦娥三號著陸器上的部分科學載荷仍在工作，所以嫦娥三號著陸器是目前世界上在月面工作時間最長的航天器。

采樣返回探測

我國探月工程第三階段的主要任務是采樣返回，即取回月球樣品供科學家在實驗室用多種儀器進行精細研究。

為此，在2014年10月24日我國先發(fā)射了嫦娥五號T1航天器，突破和掌握了航天器超高速再入返回的關(guān)鍵技術(shù)。

2020年11月24日，長征五號遙五運載火箭成功發(fā)射了重達8.2噸的嫦娥五號月球采樣返回探測器。它在月球表面特定區(qū)域軟著陸后進行分析采樣，經(jīng)過上升、月地轉(zhuǎn)移和返回等一系列過程，在升空23天后，攜帶1731克月球樣品順利返回地球，使我國成為世界第三個探測器在月球采樣返回地球的國家。

嫦娥五號實現(xiàn)了我國開展航天活動以來的五項“首次”突破：首次月面自動采樣；首次從月面起飛；首次在38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接（這也是世界首次）；首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球；首次建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統(tǒng)。

探月工程第四階段拉開序幕

2019年1月14日，我國宣布了探月第四階段任務，并把嫦娥四號作為第四階段的首次任務，后續(xù)還有3次任務：主要是探測月球兩極，并為建立月球科研站做準備。嫦娥四號已于2019年初在月球背面著陸開展工作。

落月探測的意義

嫦娥四號是世界首個在月球背面進行軟著陸和巡視探測的落月探測器。由于月球背面比正面保留著更為原始的狀態(tài)，詳查月球背面的環(huán)境、表面、淺深層和深層，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。另外，在地球上永遠看不到月球背面，即在月球背面可屏蔽來自地球和地球軌道的各種無線電干擾信號，因而能對在地球和地球軌道上無法分辨的宇宙中的低頻射電信號進行監(jiān)測，有望取得重大天文學成果。

嫦娥四號的工程目標：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2點（簡稱地月L2點）的測控及中繼通信；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。

嫦娥四號的科學目標：對月球背面的環(huán)境進行研究；對月球背面的表面、淺深層、深層進行研究；用低頻射電探測儀探測宇宙天體。

中繼通信

由于在地球上永遠看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信，為此，我國創(chuàng)造性地先把“鵲橋”月球中繼星送到了地月L2點的暈軌道，這在世界上是首次。在這個軌道上運行的“鵲橋”能同時看到地球和月球背面，從而可為此后落在月球背面的嫦娥四號與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測控通信信號和科學數(shù)據(jù)。

2018年5月21日，我國發(fā)射了首顆月球中繼星“鵲橋”，它于6月14日進入地月L2點的暈軌道。

新的載荷

2018年12月8日，我國成功發(fā)射嫦娥四號落月探測器，它于2019年1月3日在月球背面馮·卡門撞擊坑完成軟著陸，這在世界上也是第一次。

作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍是由著陸器和巡視器（玉兔二號月球車）組成，但嫦娥四號與嫦娥三號的科學目標差異很大，因此兩者所裝載的科學載荷有明顯變化，更新了部分科學載荷。

與嫦娥三號著陸器類似，嫦娥四號著陸器上仍裝有降落相機、地形地貌相機，但增加了國內(nèi)新研發(fā)的低頻射電頻譜儀，以及德國的月表中子與輻射劑量探測儀，沒安裝嫦娥三號的月基光學望遠鏡、極紫外相機。

玉兔二號仍裝有全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀，并增加了瑞典的中性原子探測儀，沒安裝嫦娥三號的粒子激發(fā)X射線譜儀，這是國際首次在月表開展能量中性原子探測。

性能大增

嫦娥四號的著陸方式與工作狀態(tài)跟嫦娥三號也有很大區(qū)別，性能上有很大提升。例如：嫦娥三號的著陸區(qū)相當于華北平原，而嫦娥四號的著陸區(qū)相當于有崇山峻嶺的云貴川地區(qū)，所以嫦娥三號以弧形軌跡緩慢著陸，而嫦娥四號采取近乎垂直的著陸方式。

嫦娥三號在長月夜-180℃的環(huán)境中無法工作，但嫦娥四號采取了新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術(shù)，以保證其度過寒冷漫長的月夜及開展正常探測工作，從而在國內(nèi)首次實測了長月夜期間淺層月壤的溫度。

三大壯舉

嫦娥四號已經(jīng)或正在實現(xiàn)三大壯舉：首次實現(xiàn)了人類探測器造訪月球背面；首次實現(xiàn)了人類航天器在地月L2點的地月中繼通信；正為科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，獲取一批重大的原創(chuàng)性科學研究成果。

嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車分別于2021年4月19日完成了第29個月球日的工作，進入了月夜休眠狀態(tài)。至此，月球車累積行駛里程708.9米。嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車狀態(tài)良好，能量平衡，各科學載荷工作正常。基于第一手的探測數(shù)據(jù)持續(xù)產(chǎn)出，為深入揭示月球背面的各類科學問題打下了基礎(chǔ)。例如，在月球表面下發(fā)現(xiàn)了很多不同的巖石層，科學家們認為這是由火山作用和強烈的小行星撞擊造成的。玉兔二號醒來后繼續(xù)向東北方向行進，科學家們希望在那里找到玄武巖，以便對當?shù)卦虑虮砻娴臍v史提供進一步的見解。

未來，中國還將探測月球的兩極，與俄羅斯合作建立月球科研站[1]，最終實現(xiàn)載人登月和建立月球基地的夢想。

（本文作者龐之浩為全國空間探測技術(shù)首席科學傳播專家，《國際太空》雜志原執(zhí)行主編，《太空探索》《中國國家天文》雜志編委。）

[1]中俄兩國簽署合作建設(shè)國際月球科研站諒解備忘錄.人民網(wǎng)， 2021-03-09[2021-06-01]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=169375 8533738901881&wfr=spider&for=pc

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