文/ 楊詩瑞

▲ 嫦娥四號著陸器地形地貌相機對玉兔二號巡視器成像

▲ 玉兔二號巡視器全景相機對嫦娥四號著陸器成像

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

2020年1月2日，嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車完成第十三月晝的工作，再次進入月夜休眠，玉兔二號月球車已累計行駛357.695米，打破人類月球車月面工作時間紀錄?！版隙鹚奶枴钡某晒酥局覈珊教齑髧粩嘞蚝教鞆妵€(wěn)步邁進，代表著新時代中國人民攀登世界科技高峰的新標桿新高度，是中華民族為人類探索宇宙奧秘作出的又一卓越貢獻。

為什么要探測月球背面——科學意義和任務由來

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——這是因為月球的自轉(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，人類無法直接觀測到月球背面的景象。

近60年來，世界各國先后開展過110多次探月活動，成功實施了數(shù)十次無人探月和載人登月，獲得大量關(guān)于月球地形地貌、元素分布、重力場、磁場等科學信息。但是，對月球背面的探測成果非常有限，前蘇聯(lián)和美國曾利用繞月探測器進行月背地形觀測和影像繪制，然而還沒有探測器能夠在月球背面著陸，月背探測猶如隔著一層面紗，始終未能深入。

▲ 嫦娥四號著陸區(qū)地理實體命名影像圖

月球背面探測具有重要的科學價值，讓科學界孜孜以求。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，從月背開展電磁波天文觀測可以獲得人類從未接觸過的信息，將揭露豐富的科學內(nèi)容。長期以來，科學家們主要通過電磁波開展天文觀測，進而認識宇宙。人類已開展過紫外、射電、X射線、紅外及毫米波等絕大多數(shù)譜段的觀測，但由于電離層阻擋和地球射電干擾，未能有效實施低頻射電天文觀測。低頻觀測對于全天空成像、宇宙黑暗時期特征、太陽物理和空間天氣等具有重要的研究價值。月球背面避開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場所，為研究太陽、行星及太陽系外天體提供可能，也將為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。

為什么沒有國家登陸月球背面？因為難度很大。為什么“嫦娥四號”一定要挑戰(zhàn)月背著陸？因為還沒有人去過，為了探索未知，“沒有人去過”就是挑戰(zhàn)的理由。

探月工程十年磨劍，“嫦娥一號”繪制形成全月地形影像圖和三維立體圖，探測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”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；“嫦娥三號”成功實施月球著陸，開辟我國月球“巡天、觀地、測月”的歷史。在一次次探月任務的積累和前行中，經(jīng)過一輪輪漫長而艱苦的反復論證和嚴謹試驗，“嫦娥四號”瞄準登陸月背，跨出人類新的一步。

怎樣探測月球背面——克服工程難題

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

通信是首要問題。月背始終背朝地球，探測器受月球球體阻隔，無法與地球直接通信，所以月球背面一直沒有留下人類探測器的“腳印”。對此，我國發(fā)射鵲橋中繼衛(wèi)星，并克服運行軌道、通信鏈路設(shè)計、傳輸時延等一系列挑戰(zhàn)，打造地月通信橋梁?！谤o橋”運行在繞地月L2點的Halo軌道，位于距地40多萬公里、距月6.5萬公里的地月延長線上，地月兩大天體的引力和離心力在此達成巧妙平衡，“鵲橋”僅用少量燃料即可保持平穩(wěn)，并同時“看見”月背與地球。這一軌道構(gòu)想曾由美國在1967年提出，但由于高風險和高技術(shù)復雜度從未實現(xiàn)?！谤o橋”勇敢選擇并成功進入使命軌道，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，在哪個位置更容易實施軟著陸并有良好的科學效益？“嫦娥四號”團隊綜合考察了科學探測價值、中繼通信可見性、熱環(huán)境和光照環(huán)境、著陸過程航跡高程起伏變化、著陸點散布范圍、探測器測控、軌道可達性、著陸時太陽高度角和推遲著陸的適應能力等因素，最終將月背著陸區(qū)定于南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑。

▲ 第九月晝期間，“玉兔二號”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”要跨越漫長的地月距離，切換多個軌道，并于月背白天實施軟著陸，這需要在整個飛行過程中計算和保持與日、地、月的相對關(guān)系。其中，奔月軌道要調(diào)整近月點位置和飛行時間，讓“嫦娥四號”的環(huán)月軌道經(jīng)過著月點上空，并在月背的白天抵達著月點上空；奔月飛行中，“嫦娥四號”太陽帆板與陽光入射方向保持一定范圍的夾角，以保障能量供應；奔月和登月過程中，要保持地面對“嫦娥四號”的通信連接，在通信延遲的干擾下預先開展精準測控。為滿足多種約束條件，科研人員計算出分布在2天里的4個共計6分鐘的發(fā)射時間窗口，這對運載火箭的適應能力提出嚴峻挑戰(zhàn)，要能夠滿足在兩天里迅速切換不同發(fā)射時間窗口，適應任務需求，要提高火箭主要分系統(tǒng)和重要單機的可靠性，確保在短至1～2分鐘內(nèi)的窗口內(nèi)準時發(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雜，航跡地形起伏劇烈，高度變化速度超過史上任何一次著陸，月背著陸如同風暴洋里沖浪。“嫦娥四號”需要翻越崇山峻嶺抵達著陸區(qū)，克服地形起伏帶來的導航誤差。對此，“嫦娥四號”團隊優(yōu)化軌道設(shè)計和控制，使探測器進入著陸區(qū)域；精細化發(fā)動機推力的在軌標定，優(yōu)化了整個探測器動力下降和著陸過程的策略，設(shè)計了光學避障、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”先降后升，而后進入長距離垂直下降過程，其間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過程，經(jīng)歷一系列復雜的“走位”，實現(xiàn)“定點、定時、精確”的著陸。

讓構(gòu)想照進現(xiàn)實——“嫦娥四號”任務一覽

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

2018年5月21日，鵲橋中繼星發(fā)射升空，首先進入預定地月轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過四天飛行和近月制動，順利進入月球至地月L2點的轉(zhuǎn)移軌道，并借力飛往地月L2點，再經(jīng)過3次軌道捕獲和修正控制，進入Halo使命軌道，成為人類歷史首個造訪這一空間的航天器，為“嫦娥四號”搭建起地月通信“生命線”。

12月8日，“嫦娥四號”發(fā)射升空，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過中途軌道修正和5天旅程，通過近月制動成功進入圓形月球軌道，在完成與鵲橋星的兩次通信測試后再次變軌進入落月橢圓軌道。2019年1月3日，“嫦娥四號”先后完成主減速段、調(diào)姿下降段、懸停段、緩速下降段、緩沖著陸段等過程，穩(wěn)穩(wěn)地著陸在預定區(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,玉兔二號巡視器離開著陸器，踏上月球表面，著陸器上的監(jiān)視相機拍下了“玉兔二號”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，在首個月晝工作期內(nèi)，嫦娥四號著陸器有效載荷開機，開始探測工作，完成對著陸點周圍地形環(huán)拍；“玉兔二號”順利完成中繼星鏈路連接，有效載荷開機、科學實驗項目順利開展，傳輸探測數(shù)據(jù)，并與著陸器完成互拍任務。至此，嫦娥四號任務圓滿成功，中國探月工程取得“五戰(zhàn)五捷”。

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

之后，“嫦娥四號”連續(xù)歷經(jīng)月晝月夜考驗，開展一系列科學實驗，不斷取得新的成果。12月20日，“嫦娥四號”成功自主喚醒，進入第十三月晝，悄然打破蘇聯(lián)“月球車一號”保持了49年的世界紀錄，成為人類在月面工作時間最長的月球車。嫦娥四號著陸器上月球中子及輻射劑量探測儀、低頻射電譜儀按計劃開機工作，開展既定的科學探測。玉兔二號月球車在巡視期間對多個探測點進行科學探測工作，搭載的紅外光譜儀對一枚月表石塊進行了成像和紅外探測，全景相機、中性原子探測儀、測月雷達獲得了大量科學探測數(shù)據(jù)。

截至本刊截稿日，嫦娥四號著陸器和“玉兔二號”已完成第十三月晝的工作，按照地面指令進入月夜休眠?！版隙鹚奶枴币恢北３种枬M的工作狀態(tài)，在地面團隊的指揮操作下持續(xù)開展低頻射電天文觀測、月殼分層結(jié)構(gòu)探測、月表環(huán)境探測等活動，不斷豐富人類對月球的認識，實現(xiàn)更多“中國壯舉”，取得更多的科學成就。

嫦娥探月工程是我國最具標志性大型科學研究項目之一，從“嫦娥一號”到“嫦娥四號”，中國登月探索的腳步從未停止，嫦娥四號任務更是為中國航天邁出了突破性的一步?！版隙鹚奶枴钡膱A滿成功全面拉開我國探月工程四期和深空探測工程的序幕。2020年，“嫦娥五號”將實現(xiàn)首次月球采樣返回，首顆火星探測器將進行火星環(huán)繞、著陸和巡視探測。與此同時，探月工程后續(xù)任務正在論證中。未來，我國將繼續(xù)開展月球地形地貌、物質(zhì)成份、空間環(huán)境的綜合探測，論證建立月球科研基地并驗證相關(guān)技術(shù)。

▲ 嫦娥四號著陸器和玉兔二號巡視器完成第十三月晝工作，進入月夜休眠