從嫦娥一號登月成功，到嫦娥二號首次實現(xiàn)我國對小行星的飛越探測，嫦娥三號成功實現(xiàn)落月夢想，再到嫦娥四號的“月背”之旅……十幾年的探索、38萬公里的追尋，中國航天以“探月夢”托舉“中國夢”，書寫了人類文明發(fā)展歷程中的驚鴻之筆。

嫦娥四號發(fā)射成功（新華社江宏景攝）

備受期待的年終“航天大戲”終于來了。

2018年12月8日2時23分，嫦娥四號探測器（下稱“嫦娥四號”）從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心出發(fā)，向遙遠的月球飛去，人類首次月球背面軟著陸巡視探測的大幕正式拉開。

千百年來，月亮一直是人類心中的神秘之所，思鄉(xiāng)的情懷、探索宇宙的渴望，都交織在“舉頭望明月”的目光中。此前，我國探月工程也曾分別實施嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號等任務，對月球進行探測。然而，中國人及其探測器目光所及之處，僅僅是月亮的正面。

月球背面究竟是什么樣，嫦娥四號將第一次身臨其境地“觸摸”它。

嫦娥四號踏上“奔月之路”

2018年12月12日下午，經(jīng)過約110小時的奔月飛行，嫦娥四號到達月球附近。16時39分，北京航天飛行控制中心科技人員發(fā)出指令，嫦娥四號在距月面129公里處成功實施7500牛發(fā)動機點火。

16時45分，嫦娥四號發(fā)動機正常關機。根據(jù)實時遙測數(shù)據(jù)監(jiān)視判斷，嫦娥四號順利完成“太空剎車”，被月球捕獲，進入近月點約100公里的環(huán)月軌道，近月制動獲得圓滿成功。

鮮為人知的是，嫦娥四號不但實現(xiàn)了準時發(fā)射、準確入軌，還創(chuàng)造了一個奇跡。按照原計劃，嫦娥四號在近月制動前，要實施3次軌道中途修正，結果只在12月9日進行了1次，就達到預期目標。這樣一來，嫦娥四號節(jié)省了用來修正軌道的燃料，從而更有利于執(zhí)行后續(xù)任務，并延長設備壽命。

嫦娥四號在環(huán)月軌道運行18天后，其間不斷調整環(huán)月軌道高度和傾角，進行與中繼星中繼鏈路、導航敏感器的在軌測試，于2018年12月30日8時55分，成功實施變軌控制，順利進入預定的月球背面著陸準備軌道，預計這次著陸將在2019年1月3日進行。

揭秘嫦娥四號“奔月之旅”

與之前“奔月”的姐妹們不同，這次嫦娥四號瞄準的是月球背面，那么，嫦娥四號軟著陸背后有哪些不為人知的秘密？

為何繞著月球飛行那么久

嫦娥四號于2018年12月12日進入環(huán)月軌道，截至2018年12月31日，嫦娥四號已經(jīng)繞著月球飛行了19天。對此，有網(wǎng)友問，嫦娥四號為何遲遲不落月？

有專家解釋，嫦娥四號要等著陸區(qū)天亮。月球整體光照情況顯示，嫦娥四號進入月球軌道時，它的預定著陸區(qū)南極-艾特肯盆地一帶正在進入夜晚。黑燈瞎火降落，萬一摔跟頭怎么辦？由于一個月夜相當于地球上的14天，所以嫦娥四號需要多飛一陣，等到落區(qū)太陽高照時降落，當然更加穩(wěn)妥。

但北京航天飛行控制中心軌道專家組組長劉勇指出，嫦娥四號之所以要經(jīng)過這么久的太空飛行，原因不僅于此，還跟嫦娥四號的入軌傾角與落區(qū)位置有關。

劉勇說，嫦娥四號進入環(huán)月軌道時，其軌道面與地月連線基本垂直，而它的著陸點經(jīng)度在180度左右。這意味著當時嫦娥四號的軌道并不經(jīng)過落點，其間大約有270度的偏差。這需要通過月球自轉，花費時間逐漸彌補。

既然要等，為何不能推遲半個月發(fā)射？這就涉及發(fā)射窗口的問題。嫦娥四號的發(fā)射時間要考慮很多的約束條件，使它與日、地（包括地面點和近地軌道）、月（包括著月點）的相對關系滿足任務需求。例如，奔月軌道需要調整近月點經(jīng)度和飛行時間，讓環(huán)月軌道臨近著月點上空，為登月創(chuàng)造條件；奔月飛行過程中，要考慮太陽能帆板的受曬問題，要求太陽光入射方向與太陽帆板之間的夾角保持在一定范圍內。此外，在飛行和著陸過程中，還要考慮連續(xù)測控問題。在此背景下，嫦娥四號形成發(fā)射機會的交集只在2018年12月8日和9日各有2次，加起來也只有幾分鐘，正所謂“過了這村就沒這店”。

嫦娥四號月球車外觀設計構型（圖/新華社）

嫦娥四號著陸器外觀設計構型（圖/新華社）

為何要去月球背面

千百年來，由于月球自轉周期和公轉周期相等，加上被地球潮汐鎖定，地球強大的引力讓月球總是一面朝向地球，所以地球上的人們只能看見月球的正面。月球的背面，成為了“秘境中的秘境”。

各種月球探測器拍攝的月球照片顯示，月球背面這張“面孔”并不漂亮，是一張“麻子臉”，隕石坑數(shù)量比月球正面要多得多，放眼望去隨處可見，密密麻麻。月背的“皺紋”也多，布滿溝壑、峽谷和懸崖，而月球正面相對平坦的地方比較多。此外，月球背面還是個“厚臉皮”，它的月殼從整體來講比正面要厚。究竟是什么原因導致月殼厚度不一樣，眾說紛紜，至今仍是天文學界的一個未解之謎。

嫦娥四號在月球背面降落還有更多科學目的。月球分為三大地體，即克里普巖地體、斜長高地巖地體、艾特肯盆地地體。前兩個地體，美國、蘇聯(lián)都著陸巡視探測過，只有艾特肯盆地地體沒有近距離就位探測過，因此這塊區(qū)域目前就近距離巡視探測而言，屬于處女地，在科學上會有很多新發(fā)現(xiàn)。

“月球背面是科學家們夢寐以求的地方。”我國月球探測工程首席科學家歐陽自遠說，因為月球背面是接收低頻輻射的一個完美場所。“只有到月球背面去，才能夠獲得這些人類從未得到過的信息，而這些信息將蘊藏豐富的科學內容?！?/p>

由于屏蔽作用，在地面上無法開展低頻射電觀測。受地球磁環(huán)境的影響，在月球正面開展低頻射電觀測效果也不盡如人意。恰恰由于月球背面的磁環(huán)境非常干凈，沒有來自地球的無線電波干擾，是進行射電天文觀測的最佳場所，如果能利用這一自然地形架設天文望遠鏡，就好像把“天文臺”搬到了月球背面。

為何選馮·卡門撞擊坑為著陸點

嫦娥四號降落地點為南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑，這個著陸點是如何選出的？

中國航天科技集團五院嫦娥四號探測器總設計師孫澤洲說，嫦娥四號是嫦娥三號的備份，嫦娥三號的著陸區(qū)在北緯45度左右的虹灣地區(qū)，探測器是按照這一緯度的光照條件設計的熱控系統(tǒng)和太陽翼。而大部分繼承了嫦娥三號設計的嫦娥四號首選著陸區(qū)緯度也在40度至50度之間。

這樣，嫦娥四號的著陸區(qū)從經(jīng)緯度上就基本確定下來了。在這個大致范圍內，科學家們看中了艾特肯盆地，這是太陽系中已知最大、最深、最古老的撞擊坑，這里蘊含著月球最早的信息，有很高的科學研究價值，對這里的探測將對人類了解月球、地球、太陽系的演化提供第一手數(shù)據(jù)和線索。

而在艾特肯盆地這個直徑大約2500公里、深13公里的巨大撞擊坑內，還有一個直徑為180公里的馮·卡門撞擊坑，其底部地勢相對平坦，能較好地保證著陸安全。

除了科學上的意義，對馮·卡門撞擊坑的探測還有另一層意義，它是以20世紀匈牙利裔美國航天工程學家馮·卡門命名的，他被譽為“航空航天時代的科學奇才”。中國航天事業(yè)的奠基人錢學森、郭永懷都是他的親傳弟子。

月球背面與地球通信如何實現(xiàn)

嫦娥四號要到月球背面安家落戶，首先遇到的問題就是它與地球不僅相隔遙遠的地月距離，而且還要隔著通信信號無法穿透的月球球體?！按顦颉卑l(fā)射中繼衛(wèi)星，實現(xiàn)“飛鴿傳書”是較為完美的解決方案。

2018年4月24日，嫦娥四號中繼衛(wèi)星被正式命名為“鵲橋”?！谤o橋”不大，重約448千克，衛(wèi)星本體橫向尺寸1.4米×1.4米，高度850毫米，加上天線高約3米，整個衛(wèi)星尺寸與中型保險柜相仿。中國航天科技集團五院中繼星“鵲橋”主任設計師孫驥說，“鵲橋”雖然不是嫦娥四號任務的主角，卻是重要的組成部分，其使命就是為月球背面的著陸器和巡視器提供中繼通信服務。

由于嫦娥四號在馮·卡門撞擊坑著陸，設計師決定把“鵲橋”架在地月系統(tǒng)拉格朗日L2點上，這個位置處于地球和月球兩點連線的延長線上，且在較小的天體也就是月球一側，在這個位置，“鵲橋”既可以看到地球，又可以看到月球背面，因此，可以同時與地球和月球背面進行信息和數(shù)據(jù)交換，完成“中繼”任務。

當然，如果中繼星“守”在地月系統(tǒng)拉格朗日L2點不動，由于受月球遮擋，仍然“看不見”地球。于是，設計師為其設計了Z向振幅約1.3萬公里，繞地月系統(tǒng)拉格朗日L2點的Halo軌道?！谤o橋”在這一軌道上做擬周期運動，既能“看見”地球，又能“看見”月球，可以同時與地球和月球背面進行信息和數(shù)據(jù)交換，通過定期軌道控制來保持軌道的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對嫦娥四號著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

值得注意的是，除了搭建通信橋梁，“鵲橋”還嘗試為空間科學試驗“牽線”，激光測距試驗是其一。目前，人類歷史上最遠距離的激光測距試驗是依據(jù)1969年阿波羅11號在月球上放置的一套激光測距反射鏡陣列進行的。如今，在距離地球約40多萬公里的地月系統(tǒng)拉格朗日L2點附近，“鵲橋”將嘗試把遠距離激光測距的紀錄再度延伸?！谤o橋”上還搭載了浙江大學研制的兩臺相機，用來拍攝天線展開的過程，若幸運，人們還會看到其拍攝的地月彩色合影。

如何保證“盲降”月球背面

為保證嫦娥四號成功在月球背面軟著陸，我國航天器制導、導航與控制（GNC）技術不斷升級。

高等學校是黨、國家和人民的高等學校，其生命線是正確的辦學方向，堅持社會主義的辦學方向是黨對高等教育發(fā)展和國家舉辦高等教育提出的基本政治要求。黨的十六屆五中全會從社會主義現(xiàn)代化建設的要求出發(fā)，明確提出繼續(xù)把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作的重中之重，實行工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)、城市支持農(nóng)村，推進社會主義新農(nóng)村建設，實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。這就是要求包括高等學校在內的全社會都必須積極主動參與到這一偉大的事業(yè)之中去，在鄉(xiāng)村振興的過程中發(fā)揮地方高校的三大職能。

GNC系統(tǒng)負責嫦娥四號著陸器和巡視器組合體奔月、環(huán)月、落月整個過程的控制，特別是臨近月球時的“踩剎車”和落月的過程，沒有重來的機會，對系統(tǒng)的可靠性有著極高的要求。相較于嫦娥三號，嫦娥四號的落月難度更高，難度主要來自于“月球背面安全著陸”。因為整個落月過程由GNC系統(tǒng)自主操控，且回傳畫面會有一定的延遲，對地面人員來說，這個過程近乎是“盲降”。

為了防止在最緊張的、不可逆的月球背面著陸過程中“鵲橋”出現(xiàn)問題影響數(shù)據(jù)上傳，GNC系統(tǒng)設計了延時數(shù)據(jù)注入功能，就是提前把要注入著陸器計算機的數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器上的某個地方暫存，這個數(shù)據(jù)包帶有時間標簽，待到著陸器上的時間和該標簽相同時，數(shù)據(jù)便會自動注入，如此，“鵲橋”的實時數(shù)據(jù)注入就成為了備份手段。

此外，GNC系統(tǒng)還可以“全程自主故障診斷與重構”，萬一真的發(fā)生了故障，系統(tǒng)可以隨時給自己進行“診斷”，找到并剔除病灶，通過身體各部分功能的優(yōu)化再組合，保證機體整體功能的正常，確保落月過程的萬無一失。

此外，嫦娥四號著陸器、巡視器的兩器分離，巡視器的月面就位探測、巡視探測，月晝月夜的交替等挑戰(zhàn)也將考驗GNC系統(tǒng)的智慧。

如何不讓嫦娥四號“閃著腰”

如何保證嫦娥四號著陸時不會“閃著腰”？

面對體重超過1噸的嫦娥四號，為實現(xiàn)軟著陸，科研人員在著陸器上安裝了反推發(fā)動機。但能否經(jīng)受住最后的“一落”，著陸器的四條腿至關重要。這四條腿的學名叫“著陸緩沖機構”。它能夠利用緩沖功能，將嫦娥四號著陸月面瞬間所產(chǎn)生的沖擊有效吸收，防止巨大的沖擊力對嫦娥四號安裝的重要儀器設備造成損傷。

為確保良好的緩沖，科研人員為四條腿了配備了兩個秘密武器。一個是“大腳掌”，這是與月球表面直接接觸的部位，它是圓的，看上去像一個大臉盆。說它很大，是因為它的直徑差不多是普通人腳長的兩倍。為什么要設計成盆狀？這種盆狀結構可以更好地防止嫦娥四號著陸月面時摔倒。

為了讓這個大腳掌足夠強壯，其內部使用了蜂窩狀的材料，在中央還埋藏著一個長得像足弓的很特別的金屬結構，能有效分散沖擊力。同時，在這個“足弓”內部還填充有更加致密的緩沖材料，能夠有效吸收沖擊能量，起到更好的緩沖作用。

第二個秘密武器就是主腿和副腿。每條著陸腿都包含一個主腿和兩個副腿。兩種腿各有分工，各司其責。在著陸前，副腿推著主腿向外側展開到規(guī)定角度并鎖定，然后主腿負責在著陸時安全地支撐住嫦娥四號，將各種沖擊力傳遞、吸收。副腿也會輔助主腿緩沖巨大的沖擊力，這將使落月更穩(wěn)定、安全。

嫦娥四號月球車與“玉兔號”有何不同

嫦娥四號巡視器，即嫦娥四號月球車雖然看起來與月球正面虹灣的“玉兔號”非常相似，但它更輕盈、更自主、更可靠。

中國航天科技集團五院嫦娥四號探測器副總設計師賈陽說，“玉兔號”重137千克，嫦娥四號月球車重量為135千克，可駛過20厘米高的石頭，最快每小時走200米。變輕的主要原因是去掉了原先帶有粒子激發(fā)X射線譜儀的機械臂，更換了瑞典科學家研制的中性原子探測儀，用來探測月球表面的粒子輻射環(huán)境。

為度過寒冷的月夜，“玉兔號”在月夜來臨前是通過地面設置進入休眠狀態(tài)，月晝的喚醒是自主的，但喚醒后還需要地面進行相關的系統(tǒng)設置才能進入安全的工作狀態(tài)。中國航天科技集團五院嫦娥四號探測器項目總監(jiān)張熇指出，嫦娥四號在月球背面，雖有中繼星，但通信還是不如嫦娥三號方便，因而嫦娥四號月球車可根據(jù)光照條件，自主地進入休眠狀態(tài)，喚醒后也可以自主設置進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5年前，“玉兔號”在虹灣上行走了114米后突然不能動了，出現(xiàn)了機構控制異常。對此，科研人員改進了嫦娥四號月球車各種走線的布局，采取防護措施避免短路的發(fā)生。另外，在系統(tǒng)上做好故障隔離設計，當局部出現(xiàn)問題時，不讓問題進一步擴展。

嫦娥家族一覽（圖/國防科工局新聞宣傳中心）

據(jù)中國探月工程總設計師吳偉仁介紹，嫦娥三號著陸器和月球車設計壽命分別為1年和3個月，但最終月球車工作了2年9個月，著陸器目前仍在運行，工作5年狀態(tài)依然很好。嫦娥四號月球車設計壽命也是3個月，但預計工作時間將比“玉兔號”更長。

“嫦娥姐妹”走出中國探月之路

嫦娥四號開展任務之前，我國已圓滿實現(xiàn)了探月工程第一、二步的既定目標?！版隙鸾忝谩憋w越38萬公里的地月距離，實現(xiàn)了繞月、落月任務，探索出一條中國人自己的探月之路。

1994年，我國科學家開始進行探月活動的必要性和可行性研究。2001年，原國防科工委組織中國科學院、航天科技集團、原總裝備部等單位正式啟動月球探測工程的相關論證工作。2004年1月，國務院正式批準我國繞月探測工程立項。

2007年10月24日，嫦娥一號衛(wèi)星發(fā)射，拉開了中國人探索月球的序幕。它在距月面200公里的軌道繞行了近500天，獲得了世界首幅三維立體全月圖，最后按預定計劃受控撞月，為我國月球探測一期工程畫上了圓滿的句號。這是繼人造地球衛(wèi)星、載人航天飛行之后，我國航天事業(yè)發(fā)展的又一座里程碑，開啟了中國人走向深空的時代。

2010年發(fā)射的嫦娥二號衛(wèi)星，它的工作軌道距月面僅100公里，獲得了分辨率更高的三維影像、月球物質成分分布圖等資料，實現(xiàn)了6大工程目標和4項科學探測任務，獲取了一批重要科學數(shù)據(jù)。完成既定任務后，嫦娥二號開展了拓展試驗，先前往距地球150萬公里的日地拉格朗日L2點，完成了一個完整周期的飛行探測，又飛到700萬公里外，以最近不到1公里的距離與圖塔蒂斯小行星擦肩而過，首次實現(xiàn)了我國對小行星的飛越探測。

與嫦娥一號、嫦娥二號衛(wèi)星相比，實施我國探月工程二期項目的嫦娥三號探測器技術跨度大、結構更復雜，使用新技術、新產(chǎn)品的比例達到80%。2013年12月14日，嫦娥三號成功落月，實現(xiàn)我國航天器首次地外天體軟著陸，并開展了巡視勘察和科學探測。

除了“嫦娥姐妹”，我國還于2014年發(fā)射了再入返回飛行試驗器，實現(xiàn)了中國航天器首次以第二宇宙速度返回地球，對“半彈道跳躍式返回”再入關鍵技術進行了驗證，為確保后續(xù)任務持續(xù)推進奠定了堅實基礎。（本刊綜合）※