2020年12月17日，嫦娥五號(hào)返回器攜帶1731克月球樣品順利返回地球。這是人類時(shí)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(xiàng)中國(guó)“首次”，其中一項(xiàng)是世界“首次”。

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

依據(jù)循序漸進(jìn)、分步實(shí)施和不斷跨越的原則，我國(guó)探月工程，即“嫦娥工程”，分為“繞月探測(cè)、落月探測(cè)、采樣返回探測(cè)”（簡(jiǎn)稱“繞、落、回”）三個(gè)發(fā)展階段。

繞 月 探 測(cè)

我國(guó)探月工程第一階段，即繞月探測(cè)任務(wù)是通過(guò)發(fā)射嫦娥一號(hào)繞月探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的，它標(biāo)志著中國(guó)航天向深空探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)發(fā)的開(kāi)始。繞月探測(cè)工程由繞月探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控和地面應(yīng)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(shí)施五個(gè)階段。

該任務(wù)有五大工程目標(biāo)：研制和發(fā)射中國(guó)第一顆繞月探測(cè)器；初步掌握繞月探測(cè)基本技術(shù)；首次開(kāi)展月球科學(xué)探測(cè)；初步構(gòu)建月球探測(cè)航天工程系統(tǒng)；為月球探測(cè)后續(xù)工程積累經(jīng)驗(yàn)。

該任務(wù)還具有四大科學(xué)目標(biāo)：獲取全月面三維影像，這對(duì)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(duì)月球表面的有用元素（指有開(kāi)采價(jià)值的元素）進(jìn)行探測(cè)，初步編制各元素的月面分布圖；探測(cè)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(cè)地月空間環(huán)境，研究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地月空間環(huán)境的影響。

2007年10月24日，我國(guó)第一個(gè)月球探測(cè)器——嫦娥一號(hào)繞月探測(cè)器由長(zhǎng)征三號(hào)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(hào)人造地球衛(wèi)星、神舟五號(hào)載人飛船之后，我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的第三個(gè)里程碑。

嫦娥一號(hào)運(yùn)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(jì)、三體定向、溫度控制和紫外敏感器等。

嫦娥一號(hào)上搭載了8種科學(xué)儀器：

CCD立體相機(jī)

獲取月球表面三維立體圖像，分辨率120米；

激光高度計(jì)

測(cè)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(cè)月球表面不同物質(zhì)的化學(xué)元素；

在世界上首次使用的微波探測(cè)儀

測(cè)量月球微波輻射特征，從而反演月壤厚度；

太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器、太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器

探測(cè)從地球至月球的空間環(huán)境。

2008年7月1日，嫦娥一號(hào)完成了全月球影像數(shù)據(jù)的獲?。煌?0月24日，嫦娥一號(hào)在軌一年壽命期滿，完成各項(xiàng)任務(wù)。此后，利用嫦娥一號(hào)開(kāi)展了變軌等十余項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。為了給探月工程第二階段“探路”，積累落月過(guò)程控制和軌道測(cè)定的經(jīng)驗(yàn)，嫦娥一號(hào)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(hào)累計(jì)飛行494天，其中環(huán)月482天，比原計(jì)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(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)；獲取了全月球影像圖、月表化學(xué)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(bǔ)了中國(guó)在月球探測(cè)領(lǐng)域的空白。其中，嫦娥一號(hào)的CCD立體相機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了月球表面100%覆蓋，使中國(guó)制作的全月球影像圖在幾何配準(zhǔn)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(guó)際先進(jìn)水平。

落 月 探 測(cè)

從獲取探測(cè)數(shù)據(jù)的直接性和豐富性來(lái)看，軟著陸探測(cè)和巡視勘察是其他探測(cè)形式所不能替代的，我國(guó)探月第二階段的主要任務(wù)就是進(jìn)行落月探測(cè)。該任務(wù)是通過(guò)先后發(fā)射嫦娥二號(hào)、三號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

嫦娥二號(hào)的任務(wù)

由于落月探測(cè)要突破月球軟著陸、自動(dòng)巡視勘察、深空測(cè)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(shí)施難度均較大，我國(guó)專家反復(fù)論證后決定，為了降低落月探測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)射我國(guó)首個(gè)落月探測(cè)器嫦娥三號(hào)之前，先于2010年10月1日發(fā)射嫦娥二號(hào)空間探測(cè)器，用來(lái)突破嫦娥三號(hào)的部分關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥二號(hào)運(yùn)行在距月球表面約100千米高的極軌道上，設(shè)計(jì)壽命半年，分辨率7米，主要完成兩大任務(wù)：對(duì)新技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)未來(lái)的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像；獲得更加豐富和準(zhǔn)確的探測(cè)數(shù)據(jù)，深化對(duì)月球的科學(xué)認(rèn)知。

嫦娥二號(hào)的科學(xué)目標(biāo)與嫦娥一號(hào)一樣，但科學(xué)載荷全面升級(jí)，且運(yùn)行軌道低，因此獲得的數(shù)據(jù)精度更高。

與嫦娥一號(hào)相比，嫦娥二號(hào)實(shí)現(xiàn)了六個(gè)方面的技術(shù)創(chuàng)新與突破，即嫦娥二號(hào)的工程目標(biāo)：突破了運(yùn)載火箭直接將月球探測(cè)器發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù)；首次試驗(yàn)了X頻率深空測(cè)控通信技術(shù)，初步驗(yàn)證了深空測(cè)控通信體制；首次驗(yàn)證了100千米月球軌道捕獲技術(shù)；首次驗(yàn)證了近月點(diǎn)15千米、遠(yuǎn)月點(diǎn)100千米軌道機(jī)動(dòng)與快速測(cè)定軌技術(shù)；首次試驗(yàn)了小型降落相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)；通過(guò)“俯沖”對(duì)嫦娥三號(hào)預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)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(hào)的半年設(shè)計(jì)壽命期滿。此后，它開(kāi)展了多項(xiàng)拓展試驗(yàn)，并于同年8月25日首次實(shí)現(xiàn)從月球軌道出發(fā)，受控準(zhǔn)確進(jìn)入日地拉格朗日2點(diǎn)（簡(jiǎn)稱日地L2點(diǎn)）環(huán)繞軌道，這使我國(guó)成為世界上第三個(gè)造訪日地L2點(diǎn)的國(guó)家，并開(kāi)展了日地空間環(huán)境探測(cè)。

2012年6月1日，嫦娥二號(hào)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(hào)以10.73千米/秒的相對(duì)速度，與圖塔蒂斯小行星由遠(yuǎn)及近“擦肩而過(guò)”，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)對(duì)小行星的飛越探測(cè)，這使我國(guó)成為世界第四個(gè)探測(cè)小行星的國(guó)家。

嫦娥二號(hào)開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)航天通過(guò)一次發(fā)射開(kāi)展月球、日地L2點(diǎn)、小行星等多目標(biāo)多任務(wù)探測(cè)的先河。

嫦娥三號(hào)的任務(wù)

嫦娥三號(hào)任務(wù)是探月工程第二階段的主任務(wù)，探測(cè)器由著陸器和巡視器（即玉兔號(hào)月球車）組成，實(shí)際上是發(fā)射了2個(gè)月球探測(cè)器，它們分別開(kāi)展就位探測(cè)和巡視探測(cè)，這在國(guó)際上也是首次。2013年12月2日，嫦娥三號(hào)落月探測(cè)器成功進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日，嫦娥三號(hào)在月面軟著陸，首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)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(wú)損壞降落到天體表面上。12月15日，嫦娥三號(hào)著陸器與玉兔號(hào)月球車互相拍照，這標(biāo)志著嫦娥三號(hào)任務(wù)取得成功，使我國(guó)成為世界第三個(gè)掌握落月探測(cè)技術(shù)的國(guó)家。

該任務(wù)的工程目標(biāo)有3個(gè)：突破月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測(cè)控通信與遙操作、深空探測(cè)運(yùn)載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)；研制月面軟著陸探測(cè)器和巡視探測(cè)器，建立地面深空站；建立月球探測(cè)航天工程基本體系，形成實(shí)施重大項(xiàng)目的科學(xué)有效的工程方法。

該任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)也有3個(gè)：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(cè)地球等離子體層以及開(kāi)展月基光學(xué)天文觀測(cè)。為此，在世界上首次使用了月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)和測(cè)月雷達(dá)。

為完成工程任務(wù)，嫦娥三號(hào)需要闖過(guò)著陸、巡視和月夜生存三大難關(guān)。

著陸器設(shè)計(jì)壽命為一年，著陸區(qū)為月球虹灣地區(qū)。馱著玉兔號(hào)月球車的著陸器在落月時(shí)利用1500～7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)以及降落相機(jī)（通過(guò)降落相機(jī)拍攝的視頻來(lái)識(shí)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(diǎn)，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(guó)際先進(jìn)水平。

此前，國(guó)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(gè)落月探測(cè)器也都著陸失敗，所以說(shuō)在月球進(jìn)行軟著陸非常不易。

玉兔號(hào)月球車的質(zhì)量為137千克，可6輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、4輪獨(dú)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(dòng)速度為200米/小時(shí)。它首次靠“視覺(jué)”完成定位工作，當(dāng)遇到超過(guò)20°的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑時(shí)，能夠自主判斷，安全避讓。

落月后，嫦娥三號(hào)面臨的最大難關(guān)就是長(zhǎng)月夜生存。為此，嫦娥三號(hào)首次采用了同位素?zé)嵩匆约皩?dǎo)熱流體回路、隔熱組件和電加熱器等，這相當(dāng)于給探測(cè)器“蓋被子”“生爐子”“開(kāi)空調(diào)”，以確保艙內(nèi)溫度控制在-50℃～50℃之間，使探測(cè)器系統(tǒng)能順利度過(guò)約14個(gè)地球日、-180℃的長(zhǎng)月夜，然后被喚醒工作。

至今，嫦娥三號(hào)開(kāi)展了“測(cè)月”“巡天”“觀地”等科學(xué)探測(cè)，取得了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，在世界著名科技期刊上發(fā)表了不少科學(xué)成果。到2021年5月，嫦娥三號(hào)著陸器上的部分科學(xué)載荷仍在工作，所以嫦娥三號(hào)著陸器是目前世界上在月面工作時(shí)間最長(zhǎng)的航天器。

采樣返回探測(cè)

我國(guó)探月工程第三階段的主要任務(wù)是采樣返回，即取回月球樣品供科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室用多種儀器進(jìn)行精細(xì)研究。

為此，在2014年10月24日我國(guó)先發(fā)射了嫦娥五號(hào)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(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射了重達(dá)8.2噸的嫦娥五號(hào)月球采樣返回探測(cè)器。它在月球表面特定區(qū)域軟著陸后進(jìn)行分析采樣，經(jīng)過(guò)上升、月地轉(zhuǎn)移和返回等一系列過(guò)程，在升空23天后，攜帶1731克月球樣品順利返回地球，使我國(guó)成為世界第三個(gè)探測(cè)器在月球采樣返回地球的國(guó)家。

嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)開(kāi)展航天活動(dòng)以來(lái)的五項(xiàng)“首次”突破：首次月面自動(dòng)采樣；首次從月面起飛；首次在38萬(wàn)千米外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)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(guó)月球樣品的存儲(chǔ)、分析和研究系統(tǒng)。

探月工程第四階段拉開(kāi)序幕

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

落月探測(cè)的意義

嫦娥四號(hào)是世界首個(gè)在月球背面進(jìn)行軟著陸和巡視探測(cè)的落月探測(cè)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(duì)研究月球和地球的早期歷史具有重要價(jià)值。另外，在地球上永遠(yuǎn)看不到月球背面，即在月球背面可屏蔽來(lái)自地球和地球軌道的各種無(wú)線電干擾信號(hào)，因而能對(duì)在地球和地球軌道上無(wú)法分辨的宇宙中的低頻射電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有望取得重大天文學(xué)成果。

嫦娥四號(hào)的工程目標(biāo)：研制、發(fā)射月球中繼通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次地月拉格朗日2點(diǎn)（簡(jiǎn)稱地月L2點(diǎn)）的測(cè)控及中繼通信；研制、發(fā)射月球著陸器和巡視器，實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次月球背面軟著陸和巡視探測(cè)。

嫦娥四號(hào)的科學(xué)目標(biāo)：對(duì)月球背面的環(huán)境進(jìn)行研究；對(duì)月球背面的表面、淺深層、深層進(jìn)行研究；用低頻射電探測(cè)儀探測(cè)宇宙天體。

中繼通信

由于在地球上永遠(yuǎn)看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測(cè)器不能直接和地球站進(jìn)行無(wú)線電通信，為此，我國(guó)創(chuàng)造性地先把“鵲橋”月球中繼星送到了地月L2點(diǎn)的暈軌道，這在世界上是首次。在這個(gè)軌道上運(yùn)行的“鵲橋”能同時(shí)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(hào)與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測(cè)控通信信號(hào)和科學(xué)數(shù)據(jù)。

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

新的載荷

2018年12月8日，我國(guó)成功發(fā)射嫦娥四號(hào)落月探測(cè)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(hào)的備份，嫦娥四號(hào)仍是由著陸器和巡視器（玉兔二號(hào)月球車）組成，但嫦娥四號(hào)與嫦娥三號(hào)的科學(xué)目標(biāo)差異很大，因此兩者所裝載的科學(xué)載荷有明顯變化，更新了部分科學(xué)載荷。

與嫦娥三號(hào)著陸器類似，嫦娥四號(hào)著陸器上仍裝有降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)，但增加了國(guó)內(nèi)新研發(fā)的低頻射電頻譜儀，以及德國(guó)的月表中子與輻射劑量探測(cè)儀，沒(méi)安裝嫦娥三號(hào)的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)。

玉兔二號(hào)仍裝有全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外成像光譜儀，并增加了瑞典的中性原子探測(cè)儀，沒(méi)安裝嫦娥三號(hào)的粒子激發(fā)X射線譜儀，這是國(guó)際首次在月表開(kāi)展能量中性原子探測(cè)。

性能大增

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

嫦娥三號(hào)在長(zhǎng)月夜-180℃的環(huán)境中無(wú)法工作，但嫦娥四號(hào)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(guò)寒冷漫長(zhǎng)的月夜及開(kāi)展正常探測(cè)工作，從而在國(guó)內(nèi)首次實(shí)測(cè)了長(zhǎng)月夜期間淺層月壤的溫度。

三大壯舉

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

嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)月球車分別于2021年4月19日完成了第29個(gè)月球日的工作，進(jìn)入了月夜休眠狀態(tài)。至此，月球車?yán)鄯e行駛里程708.9米。嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)月球車狀態(tài)良好，能量平衡，各科學(xué)載荷工作正常?；诘谝皇值奶綔y(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)產(chǎn)出，為深入揭示月球背面的各類科學(xué)問(wèn)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(xué)家們認(rèn)為這是由火山作用和強(qiáng)烈的小行星撞擊造成的。玉兔二號(hào)醒來(lái)后繼續(xù)向東北方向行進(jìn)，科學(xué)家們希望在那里找到玄武巖，以便對(duì)當(dāng)?shù)卦虑虮砻娴臍v史提供進(jìn)一步的見(jiàn)解。

未來(lái)，中國(guó)還將探測(cè)月球的兩極，與俄羅斯合作建立月球科研站[1]，最終實(shí)現(xiàn)載人登月和建立月球基地的夢(mèng)想。

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

[1]中俄兩國(guó)簽署合作建設(shè)國(guó)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

關(guān)鍵詞：中國(guó)探月嫦娥工程 月球探測(cè)器 科學(xué)載荷 ■