陳冰

嫦娥四號是世界首顆在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，它由著陸器、巡視器，以及“鵲橋”中繼衛(wèi)星組成。在整個任務(wù)中，中國航天科技集團八院，也就是上海航天承擔了著陸器與巡視器上五個半分系統(tǒng)的研制。上海制造的強大基因，助力嫦娥四號成功開啟人類首次月背探測之旅。

多項關(guān)鍵技術(shù)上海提供

嫦娥四號最初是作為嫦娥三號任務(wù)的備份星而與嫦娥三號同時研制的。

嫦娥四號擔負著艱巨的使命——它將實現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察。為此，上海航天承擔了嫦娥四號著陸器與巡視器上28臺設(shè)備的研制。為了滿足任務(wù)的需求，研發(fā)人員在原有備份星的基礎(chǔ)上，對部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能進行了改進。

由于嫦娥四號的首選著陸區(qū)為月球南極艾特肯盆地，那里地形崎嶇，撞擊坑大而且分布密集，這就對探測器著陸區(qū)的選擇和著陸精度提出了很高的要求。再加上著陸區(qū)在月球背面，著陸器和巡視器無法同地球直接通信，只能通過中繼星進行上下行操作，這就使得通信時延大大增加。

針對這些難點，設(shè)計團隊為巡視器定義了感知、移動、探測、休眠等七種工作模式，同時提高其適應地形的能力、通過極限的能力，以及自主工作的能力。

即使有意外發(fā)生，也能夠把這個意外自主處理掉。

因為嫦娥四號首次落到月球背面，這使得探測器與地球的直接通信信號受到月球遮擋，必須通過“鵲橋”中繼星進行信號中轉(zhuǎn)。因此與嫦娥三號相比，嫦娥四號巡視器測控數(shù)傳分系統(tǒng)不僅要承擔與著陸器的數(shù)據(jù)通信的功能，還要執(zhí)行與中繼星進行遙測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。

嫦娥四號數(shù)傳分系統(tǒng)單機主管師黃波說，因為中繼星畢竟受體積或者質(zhì)量的限制，發(fā)射功率沒有辦法那么大，只能靠提高靈敏度來完成任務(wù)，因此嫦娥四號數(shù)傳分系統(tǒng)的靈敏性比嫦娥三號提高了一倍以上。

一個月夜相當于地球上14天，同時月夜最低溫度可達到零下180度。為了讓嫦娥四號在月球上安全過夜，研制人員開發(fā)了休眠喚醒功能。當月夜降臨時，巡視器會為自己找好棲身之所開始休眠。一直到太陽照射到月球車太陽翼的電池片上，將其喚醒，再開啟又一次勘測。

嫦娥四號電源分系統(tǒng)技術(shù)負責人徐澤鋒說，在嫦娥四號上采用的太陽電池，它的發(fā)電效率已經(jīng)達到了30.84% ，比原來的功率增加了3個百分點。在極端溫度下還是能夠可靠地恢復整個能源的供給，因此嫦娥四號既能夠輕松地休息好，又能夠有效地獲取太陽能。

為登月裝上“激光眼”

毫無疑問，嫦娥四號此次著陸區(qū)域的條件更為復雜、地形起伏變化更劇烈，僅艾特肯地區(qū)較為平坦，找到合適的登陸點難度陡然提升。能否順利實現(xiàn)“艾特肯登陸”，中科院上海技術(shù)物理研究所和中科院上海光機所合作研制的激光測距敏感器和激光三維成像敏感器發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

激光測距敏感器是著陸器上最早開機的設(shè)備之一，在嫦娥四號飛入月球表面15公里軌道以后，全程測量著陸器與月面的距離，為著陸器姿軌控分系統(tǒng)提供從動力下降段至軟著陸段的高精度測距數(shù)據(jù)。激光測距敏感器的工作原理是通過向月面發(fā)射激光光脈沖，測量月面回波脈沖信號與激光發(fā)射脈沖信號的時間間隔，以此獲得著陸器相對于月面的精確距離。

由于嫦娥四號著陸區(qū)域較嫦娥三號地形條件更為復雜，地形起伏變化更劇烈，月面反射率差異較大，導致對激光三維成像敏感器的環(huán)境適應性提出了更高的要求。

嫦娥四號激光測距敏感器的主任設(shè)計師程鵬飛介紹，由遠距離測距光束開始提供距離月面的斜距信息，在著陸器距月面高度約8公里時，著陸器姿態(tài)發(fā)生角度調(diào)整，激光測距敏感器根據(jù)指令切換至近距離測距光束工作。在著陸器的姿態(tài)調(diào)整過程中遠距離、近距離測距波束始終具備同時測距功能，從而不斷完成動力下降階段對嫦娥四號著陸姿態(tài)的控制，輔助她以“最佳姿態(tài)”穩(wěn)穩(wěn)落月。

解決了嫦娥四號降落高度的問題，還要處理“落在哪兒”的難題。激光三維成像敏感器就成了她的“眼睛”——帶她避開陡峭的隕石坑和大石塊，確定安全著陸區(qū)。

最終的落月過程從約15公里的高度開始，全程約700秒。在距離月面100米高度時，嫦娥四號會短暫懸停，通過激光三維成像敏感器獲取月面著陸區(qū)域的三維圖像，將月球表面的坑識別出來，并通過計算分析選擇適合安全軟著陸的區(qū)域。距離月面最后幾米，發(fā)動機關(guān)機，嫦娥四號在重力作用下著陸月球表面。

嫦娥四號的激光三維成像敏感器原先作為嫦娥三號的備份產(chǎn)品，早在2013年9月就完成了生產(chǎn)研制，產(chǎn)品貯存期間，課題組定期對產(chǎn)品健康狀態(tài)進行詳查，并保障產(chǎn)品貯存環(huán)境，保證產(chǎn)品性能指標穩(wěn)定，安全可靠。由于嫦娥四號著陸區(qū)域較嫦娥三號地形條件更為復雜，地形起伏變化更劇烈，月面反射率差異較大，導致對激光三維成像敏感器的環(huán)境適應性提出了更高的要求。

“激光三維成像敏感器能在250毫秒內(nèi)成像，著陸器在1秒內(nèi)分析三維圖像數(shù)據(jù)并選取安全著陸區(qū)。在懸停的過程中，它一共有三次做出判斷的機會?！奔す馊S成像敏感器主管設(shè)計師李銘說，“激光三維圖像高程精度優(yōu)于5厘米，相比地球上的智能駕駛激光雷達還要精準。”

造訪“新地標”，不“拍”個夠怎么行？順利抵達月球背面后，中科院上海技物所的“神器”——紅外成像光譜儀開始大顯身手。它具備可見近紅外波段的光譜成像和短波紅外譜段的光譜探測功能，在月球車的輔助下可以獲取月表指定位置的精細光譜信息。

正如每個人的指紋和虹膜千差萬別，月球物質(zhì)成分所呈現(xiàn)的光譜特性也不一樣，可以幫助科學家識別月面巡視區(qū)礦物成分?！昂玩隙鹑栂啾龋隙鹚奶栄惨暺骷t外成像光譜儀單次獲取月表光譜信息的時間周期由25分鐘縮短了一半，提升了儀器效率，也提高了儀器的定量化水平。”紅外成像光譜儀主任設(shè)計師李春來介紹。

巡視器與著陸器分離抵達指定科學考察點后，紅外成像光譜儀會擇機工作。探測模式下，儀器開機并獲取科學數(shù)據(jù)；而定標模式則是利用太陽作為定標源，將定標漫射板置于定標位置時，監(jiān)測儀器狀態(tài)。李春來介紹，紅外成像光譜儀重不到6公斤，在工作時能適應-20至+55攝氏度的溫度環(huán)境，是一臺高性能、輕小型、高集成的儀器。其綜合性能處于國際先進水平。

太空通信站中繼星“鵲橋”就位以后，上海65米口徑的天馬望遠鏡與北京密云站、云南昆明站、烏魯木齊南山站的射電望遠鏡攜手組成甚長基線干涉測量（VLBI）網(wǎng)——其測量精度或測量分辨率等效于口徑3000多公里的“超級望遠鏡”。它們共同為嫦娥四號探測器和中繼星測軌定位，為其“導航”，確保她能順利抵達月球預定軌道，并安全軟著陸月球背面。

“我們通過接收衛(wèi)星信號、宇宙射電源互相交叉觀測的校準，并對電離層等誤差予以修正，可以精準定位其空間位置。”嫦娥四號VLBI測軌分系統(tǒng)總指揮洪曉瑜介紹。從射電望遠鏡接收數(shù)據(jù)，到位于佘山科技園的指揮中心處理、計算出結(jié)果，只需不到1分鐘——比嫦娥一號、二號時的速率提升了十多倍！

給嫦娥準備多套衣服

在漫漫的奔月征程、落月冒險，以及之后的月球“做客”中，科研人員給嫦娥四號準備了多套“衣服”，確保它能夠應付各種不同的狀況。其中，出自上海硅酸鹽所的“衣服”就有10多件。他們針對嫦娥四號不同“身體”部位的需求，或不同“皮膚”的特性，采用不同的“剪裁”、不同的“布料”，最終確保嫦娥四號能夠像一只恒溫動物一樣，不管外界環(huán)境如何冷熱劇烈變幻，“身體內(nèi)”始終保持在一個適合生存的溫度區(qū)間，也保證自己能夠自如地做出各種動作。

這些“衣服”與溫度的控制息息相關(guān)。白天的嫦娥四號，太陽光直射下的表面溫度高達100oC，熱控涂層可有效反射太陽光，并向外輻射吸收的熱量，從而保證“身體”溫度正常。而在嫦娥四號不同的部位，熱控涂層的性能也各有差異。例如在月球車上的柔性薄膜熱控涂層則更加注重“防曬”能力，而金光燦燦的低溫多層隔熱組件就像是一層“鎧甲”包裹著暴露于太空中的儀器，使其無畏白天100℃ 、夜晚-200℃的溫度劇變。因為它可以雙向隔熱，外部高溫時熱量不會往里傳，外部寒冷時里面熱量也不會往外漏。目前，全世界只有兩家機構(gòu)可以提供這種柔性薄膜熱控涂層。

在嫦娥四號特殊的位置還有專用“工作衣”，“穿”在著陸器7500N變推力發(fā)動機外的高溫隔熱屏，像“裙子”一樣包圍著發(fā)動機噴管。在發(fā)動機和噴管點火時，這件厚度僅為1厘米的 “高溫衣”正面在800～1400℃高溫氣流沖刷下，能保證其背面的溫度不超過100℃，實現(xiàn)發(fā)動機高溫邊界與探測器本體的熱隔離。

月球車的帆板打開與收縮，對真空低溫條件下帆板的骨架金屬材料是一種嚴苛的考驗。如果沒有耐摩擦抗冷焊涂層，金屬桿在低溫下就像是被焊接一樣粘在一起。有了這件“運動衣”，月球車相當于做好了“熱身運動”，確保不會在運動中受傷。

從中國第一顆衛(wèi)星開始，上海有機所的有機熱控涂層就一直沒有缺席中國的航天工程。由于有機熱控涂層施工工藝簡單，可用于金屬或非金屬底材，具有良好的附著性能，有的品種可室溫固化，因此在航天器熱控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在嫦娥四號上，“黑白套裝”當仁不讓地占據(jù)一席之地?！鞍咨庖隆贝┰阪隙鹚奶柾獗?，其熱吸收率低，而反射率高，減少太陽光照射的影響；“黑色內(nèi)衣”穿在嫦娥四號內(nèi)壁，其熱吸收率高、反射率也高，確保內(nèi)部維持在一個合適的溫度。

嫦娥四號用到的大學科研成果

1.南京航空航天大學

在嫦娥四號探測器上，有一個用于光譜儀驅(qū)動與控制的超聲電機，這個電機就是由南京航空航天大學的科研團隊研發(fā)出來的。

2.北京科技大學

嫦娥四號探測器上的卷筒式彈性伸桿是由北京科技大學科研團隊研發(fā)出來的。

3.浙江大學

嫦娥四號上面的降落相機光學鏡頭是由浙江大學科研團隊研發(fā)出來的。

4.上海交通大學

在嫦娥四號探測器上面，包括激光測距儀、三維成像儀、紅外光譜儀等星載光學儀器中的鏡筒、光學底板、框架等12種關(guān)鍵構(gòu)件都使用了上海交通大學科研團隊研制的SiC增強鋁基復合材料。

這些航天成就，都有上海貢獻

長征6號火箭，由上海航天技術(shù)研究院研發(fā)，這是一種無毒無污染的小型液體運載火箭，具有把500公斤的載荷送到700公里軌道的能力。

“天宮二號”搭載的空間冷原子鐘，由中科院上海光機所研制，實現(xiàn)了3000萬年誤差不會超過1秒的超高精度。2016年8月16日，中國首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號發(fā)射。“墨子”號搭載了四個有效載荷，其中一半由王建宇領(lǐng)導的中科院上海技術(shù)物理研究所牽頭研發(fā)。

2018年10月25日，長征四號乙運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，將海洋二號B星送入預定軌道，這是我國長征系列運載火箭的第288次飛行，也是上海航天抓總研制的長征系列火箭第100次發(fā)射，同時還是上海航天2018年的第11次火箭發(fā)射任務(wù)，上海航天從“十年一箭”進入“一年發(fā)十箭”的新時代。

上海航天的另一型主力火箭長征二號丁自1992年首飛以來，就致力于國內(nèi)外市場的開拓。2012年，長征二號丁火箭對外發(fā)射取得圓滿成功，并且創(chuàng)造了當時中國運載火箭入軌精度新紀錄，獲得了外方的高度評價，這也是上海航天抓總研制的火箭首度走出國門，為國際客戶提供發(fā)射服務(wù)。

如今，長征四號系列、長征二號丁多次承擔商業(yè)發(fā)射任務(wù)，已經(jīng)為土耳其、委內(nèi)瑞拉、荷蘭等十多個國家開展衛(wèi)星發(fā)射，同時和國內(nèi)諸多高校合作，開展商業(yè)搭載服務(wù)。針對當前日益興起的商業(yè)衛(wèi)星應用需求，上海航天提供高性能衛(wèi)星平臺及載荷的研制服務(wù)、搭載服務(wù)、在軌測控服務(wù)、應用數(shù)據(jù)服務(wù)等一體化解決方案。