文 趙 玲

“明月幾時有，把酒問青天”。作為地球的鄰居，月球自古以來就是許多美好事物的象征。中國人對月亮一直有著延綿的情結(jié)，中國文人對月亮的情結(jié)更可謂是“極致”的。在中國文學史上，李白和蘇軾，一個用詩，一個用詞，造就了不朽的月神。遙望夜空，人們對看不到的月球背面充滿了無限想象，因而有了“瓊樓玉宇高處不勝寒”，有了“嫦娥奔月”，有了千年的“探月夢”。

“嫦娥應悔偷靈藥，碧海青天夜夜心。”2004年，中國正式開展月球探測計劃，并將第一顆繞月衛(wèi)星命名為“嫦娥一號”。十多年來，“嫦娥一號”“嫦娥二號”“嫦娥三號”相繼豪情遠赴，承載著中國人的探月之夢，前赴后繼。2018年年底，中國新一顆探月衛(wèi)星整裝待發(fā)。12月8日，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了“長征三號乙”運載火箭，帶著全人類的好奇心將“嫦娥四號”送到了月球背面。它即將實現(xiàn)人造航天器首次在月球背面的軟著陸和巡視勘察，有望揭開月球背面的謎題。

月球背面架“鵲橋”

由于地球與月球之間存在潮汐鎖定現(xiàn)象，在地球與月球長期的相互作用中，月球朝向地球和背向地球部分的受力情況不盡相同，由此產(chǎn)生的潮汐力使月球的自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期最終趨于一致。因此，當月球向一個方向自轉(zhuǎn)一定角度后，地球相對于月球的位置會向相同方向移動相同的角度，導致月球朝向地球的總是同一面。

我國成功發(fā)射“嫦娥四號”探測器

自1969年人類首次登月，實現(xiàn)月球正面可見至今，半個多世紀過去了，神秘的月球背面卻始終不為人知。其實，在過去的近60年里，人類陸續(xù)發(fā)射了超過100個月球探測器，其中有65個月球著陸器，但僅有非載人的環(huán)繞月球軌道器和載人的阿波羅系列看到過月球背面。月球背面究竟有什么神秘的阻力，致使人類即便在完成載人航天的情況下，依舊需要研究半個多世紀，才能完成月背著陸的任務呢？

1959年，蘇聯(lián)“月球”三號第一次傳回了月球背面的圖片，大面積環(huán)山的復雜地形讓人類望而卻步。好比直升機要在茂盛的叢林中安全降落一般，在錯綜復雜的月球背面實現(xiàn)軟著陸需要極度精準的測算與規(guī)劃。要實現(xiàn)這一目標，必須依賴強大的地月通信。而由于月球背面受到月球本身的阻擋，著陸其上的探測器無法和地球直接進行通信。

為了保障“嫦娥四號”順利完成任務，2018年5月21日，我國發(fā)射了人類歷史上首個月球信號中繼衛(wèi)星“鵲橋號”，相當于在“嫦娥四號”與地球間架設(shè)了一座“通信中繼站”。

為了在太空中保證地月通信的穩(wěn)定，“鵲橋號”必須定位在地球和月球連線外側(cè)的拉格朗日L2點附近，選擇一條獨特的Halo軌道。拉格朗日L2點就是引力平衡、在較小天體外側(cè)的點，同時也在月球背后。選擇這個點有兩個重大優(yōu)勢：首先，在此點上衛(wèi)星可以隨著這兩個天體一同運動且位置不變；其次，兩個天體引力平衡，衛(wèi)星只需要極少的燃料就可以維持在正確軌道上。這樣一來，“鵲橋號”中繼衛(wèi)星就名副其實地成為連接地球與月球的橋梁，為“嫦娥四號”的登月工作做好了鋪墊。

面臨重重挑戰(zhàn)

2018年12月8日，“嫦娥四號”在“長征三號乙”運載火箭的推動下成功發(fā)射升空，進入地月轉(zhuǎn)移第一個飛行階段，在歷經(jīng)4天多的飛行后順利完成“太空剎車”，從地月轉(zhuǎn)換軌道“變道”進入繞月軌道。

12月21日，“嫦娥四號”再傳捷報——其在環(huán)月過程中順利與“鵲橋號”中繼星建立了連接，開始進行在軌信號測試。

這一刻，“嫦娥四號”吸引了全世界的目光，誰能想到，它曾是一名“替補隊員”呢？

事實上，2013年12月2日，當“嫦娥三號”發(fā)射升空時，中國航天倉庫中還有一顆與“嫦娥三號”技術(shù)狀態(tài)基本一致的備份星。如果“嫦娥三號”在發(fā)射或飛行過程中遭遇意外，這位“替補隊員”將再次出發(fā)，完成“嫦娥三號”沒有完成的任務。當然，意外沒有發(fā)生，“嫦娥三號”順利完成了探月工程二期著陸月球的目標。因此，科學家和工程師們開始考慮將這位“替補隊員”轉(zhuǎn)正，在最大限度地利用現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上對“嫦娥三號”的探測任務進行補充和拓展。在經(jīng)過分析和研究后，這位“替補隊員”被命名為“嫦娥四號”，并將成為人類歷史上第一個在月球背面軟著陸的探測器。

有專家稱：“‘嫦娥四號’最大的難點在于月球背面地形條件的不確定性和信息、數(shù)據(jù)的傳遞的可靠性，相比‘（嫦娥）三號’衛(wèi)星，‘嫦娥四號’絕非簡單重復?！笔聦嵣?，“嫦娥四號”面臨比以往探月任務更大的挑戰(zhàn)。

由于月球背面山峰林立，隕石坑密布，很難找出大一些、平坦一些的地方。“嫦娥四號”的著陸點為月球南極，處于月球背面的艾特肯盆地。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，是太陽系內(nèi)已知的最大、最古老的撞擊坑，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。但是，降落在該盆地卻具有極高的難度?？晒┍容^的是，“嫦娥三號”月球正面著陸區(qū)地形起伏僅800米，而“嫦娥四號”月球背面著陸區(qū)地形起伏達到了6000米。簡單來說，“嫦娥三號”落的是平原，“嫦娥四號”去的是山區(qū)。

雪上加霜的是，即將進行的落月過程在地球上無法直接看見，所有的信息都需要在“鵲橋號”的中轉(zhuǎn)下完成傳輸，這無疑大大增加了落月任務的風險。因為整個落月過程由我國航天器制導、導航與控制系統(tǒng)自主操控，加之回傳畫面的延遲，所以對地面人員來說，“嫦娥四號”的著陸過程近乎是“盲降”。

值得注意的是，由于月球背面崎嶇不平，“嫦娥四號”著陸成功后，巡視器行進過程中同樣要面對很多挑戰(zhàn)。為了使“嫦娥四號”巡視器能在月球背面正常開展巡視探測，科研團隊在“嫦娥三號”的基礎(chǔ)上，對巡視器移動能力進行了強化。特別是在巡視器應對意外狀況方面，科研人員開展了多項系統(tǒng)試驗，并把每一個試驗變化分解成多個環(huán)節(jié)，逐一開展詳細驗證。他們對石塊落入車輪內(nèi)部、驅(qū)動機構(gòu)頻繁啟停及巡視器極限移動等狀況均進行了逐一測試，對巡視器的移動速度、距離、越障能力等狀態(tài)和參數(shù)，進行充分的地面力學分析和驗證，并形成了應對方案。

“鵲橋號”中繼星運行軌道

“月球”三號拍攝的首張月球背面圖片

為了提升“嫦娥四號”巡視器的通過性、機動性及地形適應性，科研人員還提升了巡視器的“智能”水平和“自主性”，使其具有一定的障礙識別和自主避障能力。同時，“嫦娥四號”還將面對月球背面更加猛烈的太陽風和宇宙射線的沖擊。為使“嫦娥四號”經(jīng)受住這些考驗，科研人員對“嫦娥四號”的相關(guān)電子元器件都進行了強化。

另外，由于被地球潮汐鎖定，月球的一年（圍繞地球公轉(zhuǎn)）等于一天（自轉(zhuǎn)）。因而月球上半年/天是白天，半年/天是黑夜，一輪就是一個月，大概28天，月球正面和背面都是如此。白天時，月球上太陽能極其充沛，可以通過太陽能電池板充能，而晚上則不行。國際上，NASA“好奇號”火星車采用的是核電源供電，使用钚-238衰變放出的熱量再經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)換為電能（RTG），這種裝置沒有活動的部件，所以很可靠，并且放射性材料能夠持續(xù)發(fā)熱很多年。此次“嫦娥四號”首次采用了這種供電方式，但還是起輔助作用，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。

肩負艱巨任務

宇宙起源的演化是自然科學的基本問題，射電天文是研究宇宙的重要手段，但低頻無線電波能夠被地球電離層和磁層的等離子吸收，無法到達地面，幾乎是射電天文觀測的空白。長久以來，天文學家一直夢想能夠進行低頻射電天文觀測，更深入地探索宇宙奧秘。然而，由于地球磁場和大氣的屏蔽作用，在地面上無法開展低頻射電天文觀測。在月球正面開展低頻射電天文觀測也受到地球磁環(huán)境的干擾，觀測效果不佳，而月球的背面則是觀測的絕佳場所——月球尺寸足夠大，能夠阻擋來自地球無線電的干擾，月球的夜晚還同時能夠阻擋來自太陽的干擾。

“嫦娥四號”著陸器在月球背面軟著陸后，將開展月基低頻射電天文觀測研究，預期可以獲得一批原創(chuàng)性、領(lǐng)先世界的科學成果。這些成果將填補射電天文領(lǐng)域在低頻觀測段的空白，促進對月球早期演化歷史的新認知，對研究地球的早期歷史也有重要價值，從而推動月球天文觀測科學研究的深入。

我們都知道，月球蘊藏著豐富的礦產(chǎn)和能源資源，開發(fā)和利用月球資源是人類進行月球探測的源動力之一。雖然月球正面也有含量豐富的礦產(chǎn)資源，但月球背面有獨特的優(yōu)勢：由于地球遮擋了侵襲月球正面的太陽風，月球背面毫無遮攔，其月海中可能會有比正面濃度更高的核聚變材料氦-3。

通過“嫦娥四號”對艾特肯盆地的地形地貌、礦物組份、巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)、地幔物質(zhì)等進行科學探測與研究，將為月球資源的開發(fā)利用提供極有價值的第一手資料，推動月球資源開發(fā)利用研究進程。

層層遞進的“嫦娥工程”

不止“嫦娥四號”，為了實現(xiàn)億萬中華兒女的探月夢，我國早在2004年就正式開展了月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。按計劃，“嫦娥工程”分為“無人月球探測”“載人登月”“建立月球基地”3個階段。我國目前處于“無人月球探測”階段，該階段又分“繞”“落”“回”三期。

第一步“繞”，即發(fā)射環(huán)月飛行的月球探測衛(wèi)星。2007年10月24日發(fā)射的“嫦娥一號”衛(wèi)星圓滿完成了“繞月”使命；第二步“落”，即月球探測器在月面軟著陸，進行月面巡視勘察，2013年發(fā)射的“嫦娥三號”實現(xiàn)了月球軟著陸，標志著這一階段任務已順利完成；第三步“回”，即探測器完成月面巡視勘察及采樣工作后返回。尚未發(fā)射的“嫦娥五號”任務就是實現(xiàn)無人自動采樣返回。

不難看出，“嫦娥工程”的每一步都是對前一步的深化，并為下一步奠定基礎(chǔ)。此次“嫦娥四號”攜帶了一個微型的封閉生態(tài)圈，里面裝著南芥菜的種子與土豆，一些營養(yǎng)液、桑蠶及地球上的空氣?？茖W家想看看這樣的封閉生態(tài)圈會在月球表面的環(huán)境中變成什么樣，從而為以后在月球上建造科研基地做鋪墊。

此外，“嫦娥四號”還攜帶著來自其他國家的科學載荷，如德國研制的月表土壤中子及輻射劑量測定儀（LND）、瑞典開發(fā)的小型中性原子探測儀（ASAN），是我國與其他國家展開合作探測、共享數(shù)據(jù)的重要里程碑。

從“嫦娥一號”到“嫦娥四號”，直到未來的無數(shù)“號”，“嫦娥工程”層層遞進，生生不息，開拓了中國航天活動的新領(lǐng)域，成為我國科技自主創(chuàng)新的一面新旗幟，對提高綜合國力、增強民族凝聚力起到了重要作用。而在這背后，是一代代中國航天人刻苦鉆研、無私奉獻的不懈奮斗。正是因為這樣，才托起了中華民族的“探月夢”和“航天夢”。