解密“嫦娥”：“奔月”也是個“技術(shù)活”

王麟

皎皎夜空，星云密布，明明皓月，近在咫尺。作為地球的一顆衛(wèi)星，月球在人類文明發(fā)展中扮演著多重角色，它既是一片沒有絲毫生命活力的荒涼之境，也是中外古老神話的文化載體；它既是傳說中嫦娥的棲身之地，也是富含稀有金屬之地；它既在三十萬千米之外孤獨(dú)游蕩，又永遠(yuǎn)面對地球依依不舍。

這個距離我們最近的天體，在最近的半個世紀(jì)中雖然已經(jīng)揭開了一些面紗，但依然還有很多秘密。比如，始終“掩面”的月球另一側(cè)隱藏了哪些秘密？因?yàn)樵虑虮旧碜钃趿说卦轮g的通訊信號，在很長的時間里，我們無法觀測和探索。如今，這個問題即將得到解決。我國已經(jīng)在2018年5月21日成功發(fā)射完成一顆中繼衛(wèi)星“鵲橋”，它的作用就是為即將在2018年下半年發(fā)射的“嫦娥四號”衛(wèi)星提供中繼通訊服務(wù)。而“嫦娥四號”衛(wèi)星的使命，就是親臨月球背面，巡視勘察，將月球背面的秘密公之于眾。雖說古有“嫦娥奔月”之傳說，不過，今時今日的“嫦娥奔月”著實(shí)是個“技術(shù)活”，讓我們?nèi)ヌ絺€究竟吧！

探月工程頗不易

讓“嫦娥四號”探查月球背面是我國探月工程的重要內(nèi)容之一，但是這個計(jì)劃并非一開始就是如此的，因?yàn)椤版隙鹚奶枴敝皇恰版隙鹑枴钡膫溆眯牵捎凇版隙鹑枴备哔|(zhì)量完成了預(yù)定的任務(wù)，“嫦娥四號”的使命也隨之完成，剛好可以承擔(dān)起探測月球背面的新任務(wù)。

回顧我國探月計(jì)劃的發(fā)展歷程，你會發(fā)現(xiàn)，這個龐大的系統(tǒng)性工程一路走來，頗為不易。我國的探月計(jì)劃起源于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過長時間的反復(fù)論證之后，最終確定了“繞、落、回”三步走的發(fā)展計(jì)劃。

衛(wèi)星所承擔(dān)的任務(wù)迥異。“嫦娥一號”是在2007年10月24日成功發(fā)射的繞月探測器，其主要任務(wù)就是突破繞月探測關(guān)鍵技術(shù)，對月面形狀、主要部分元素及物質(zhì)成分、月壤特性等進(jìn)行綜合探測，初步建立探月系統(tǒng)。“嫦娥一號”圓滿實(shí)現(xiàn)了探月工程一期“繞月探測”的目標(biāo)，被譽(yù)為我國在航天領(lǐng)域繼人造地球衛(wèi)星和載人航天之后的第三個里程碑。

第二階段，要完成“落月探測”任務(wù)，2010年10月1日和2013年12月2日，“嫦娥二號”和“嫦娥三號”先后順利升空，完成了預(yù)定任務(wù)，尤其是“嫦娥三號”攜帶的“玉兔號”月球車第一次華麗現(xiàn)身，引來萬眾矚目。這個階段也完成了突破月球軟著陸、月面巡視勘探等關(guān)鍵任務(wù)，并開展月基天文觀測。

第三階段的“采樣返回”探月計(jì)劃早在2009年就開始實(shí)施，其主要任務(wù)就是突破月表自動采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、地球大氣高速再入、月球樣品儲存等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國首次月面自動采樣返回，并為載人登月和深空探測奠定基礎(chǔ)。如今這項(xiàng)計(jì)劃還在緊鑼密鼓地朝著預(yù)定目標(biāo)前進(jìn)，相信在2020年左右，“三步走”的探月計(jì)劃將會圓滿收官。

而“嫦娥四號”的任務(wù)依舊屬于第二階段“落月探測”計(jì)劃的內(nèi)容之一，只不過，“嫦娥三號”實(shí)現(xiàn)的是月球正面著陸，而“嫦娥四號”要完成月球背面的軟著陸和巡視勘探，難度系數(shù)更高。

一座“鵲橋”連地月

由于地球潮汐鎖定的原因，月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期一致，月球永遠(yuǎn)只有一面對著地球，使得我們看不到月球背面，若不通過某種技術(shù)手段，根本無法直接發(fā)射探測器繞到月球背面進(jìn)行探測，因?yàn)樵虑虮旧怼捌帘巍绷藖碜缘厍虻男盘枺沟脤μ綔y器的遠(yuǎn)程遙控?zé)o法實(shí)現(xiàn)。

但是，月球的這種屏蔽效應(yīng)也有其優(yōu)越之處，那就是當(dāng)月球屏蔽了地球的無線電、閃電和極光等干擾信號之后，月球背面就成了免受地球電磁干擾的“寧靜區(qū)”，將有助于探測器接收來自宇宙空間的更多微弱信號，開啟非同一般的宇宙測探視角——在月球背面獨(dú)特的電磁環(huán)境條件下，開展低頻射電觀測研究，取得更多原創(chuàng)性成果。另外，月球背面地形復(fù)雜，遍布大大小小的隕石坑，若能進(jìn)行探測，還有機(jī)會發(fā)現(xiàn)宇宙起源的一些寶貴信息。

然而，要想探測月球背面，就必須發(fā)射探測器；要想使用探測器，就必須讓探測器收到來自地球的控制信號。那么如何才能解決這個技術(shù)難題呢？這可難倒了很多科學(xué)家。幸運(yùn)的是，最終他們找到了一個非常好的辦法，那就是在靠近月球的太空中選擇一個點(diǎn)，將一顆中繼通訊衛(wèi)星送到那里，讓衛(wèi)星既能“看”到月球背面，也能“看”到地球，這樣通過中繼衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)月球背面與地球的通訊聯(lián)絡(luò)，這個點(diǎn)就叫“地月L2平動點(diǎn)”，這個點(diǎn)恰好處在月球背面與地球的延長線上，距離月球約為6.5萬千米，這里也是地月引力平衡點(diǎn)之一。

完成這個重要使命的，就是于2018年5月21日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空的“鵲橋”中繼星，它是一顆小衛(wèi)星，自帶直徑4.2米的天線，這是人類深空探測史上口徑最大的通信天線，建立了3條通信鏈路，能夠和地面進(jìn)行雙向高速通信。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為5年，質(zhì)量約425千克，通過鋰電池和太陽能板供電，配置16個發(fā)動機(jī)，可以自動調(diào)姿和變軌，采用“星敏感器+光纖陀螺”定姿方式和整星零動量控制方式，實(shí)現(xiàn)對地、對月、對日的三軸穩(wěn)定控制。這顆衛(wèi)星也是建在地球和月球間的一座信息中轉(zhuǎn)站，專門用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)兩者發(fā)出的信號，讓月球背面不再是通信盲區(qū)。

“嫦娥四號”直奔“廣寒宮”

有了“鵲橋”中繼通訊衛(wèi)星作為“利器”，“嫦娥四號”就可以順利升空直奔月球背面了，預(yù)計(jì)在2018年的下半年，“嫦娥四號”就會一路奔襲，來到目的地，開始一場前無古人的探險(xiǎn)偉業(yè)，探查隱藏在月球背面幾十億年的秘密。

“嫦娥四號”選擇降落的地點(diǎn)叫“艾特肯撞擊坑”，位于月球的南極，直徑2500千米，深12千米，是月球上最古老、最大和最深的撞擊坑，是一個精挑細(xì)選的著陸點(diǎn)。“嫦娥四號”要實(shí)現(xiàn)四大科學(xué)目標(biāo)，分別是月基低頻射電天文觀測研究、月球背面巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)探測研究、月球背面巡視區(qū)地貌和礦物組分探測研究。

“嫦娥四號”項(xiàng)目屬于復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由探測器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控、地面應(yīng)用等五大系統(tǒng)組成，其中，探測器系統(tǒng)包括著陸器、巡視器和中繼星。如今中繼星已經(jīng)發(fā)射，就等著“嫦娥四號”的著陸器和月球車大顯身手了。

“嫦娥四號”的著陸器配置了4臺科學(xué)載荷，包括國內(nèi)研制的降落相機(jī)、月形月貌相機(jī)、低頻射電頻譜儀以及與德國合作的月球表面中子與輻射劑量探測儀。

這些儀器都有什么用呢？降落相機(jī)用于在著陸器降落過程中動態(tài)拍攝著陸區(qū)域的光學(xué)圖像；而月貌相機(jī)用于獲取著陸區(qū)月表圖像并監(jiān)視巡視器月表移動；低頻射電頻譜儀用于探測0.1～40 MHz（兆赫茲）范圍內(nèi)的太陽低頻射電特征和月表射電環(huán)境；月表中子與輻射劑量探測儀用于測量月表包括帶電粒子、γ射線和中子的綜合粒子輻射劑量，目的是為未來載人登月活動和月表綜合粒子輻射模型修正提供最新數(shù)據(jù)支持。

而“嫦娥四號”的巡視器，也就是月球車，也配置了4臺科學(xué)載荷，每臺儀器都有其獨(dú)特的作用。其中全景相機(jī)用于獲取巡視區(qū)的月表圖像；紅外成像光譜儀用于獲取巡視探測點(diǎn)的月表光譜數(shù)據(jù)和幾何圖像數(shù)據(jù)；測月雷達(dá)用于探測巡視路線上的月壤厚度和月殼淺層結(jié)構(gòu)；中性原子分析儀用于觀測巡視探測點(diǎn)0.01～10 KeV（KeV即1000電子伏特）能量范圍內(nèi)的能量中性原子及正離子，而這將是國際首次在月表開展能量中性原子探測。

一切就緒，只待東風(fēng)。用不了多久，“嫦娥四號”將騰空而起，來到月亮的黑暗面，開啟一場令人振奮的新航程，也將我國探月工程再次向前推進(jìn)一大步。