“嫦娥四號”：在月球背面與你相見

榮智慧

2018年12月8日2時23分，我國在西昌衛星發射中心用“長征三號乙”運載火箭成功發射“嫦娥四號”探測器，開啟了月球探測的新旅程

月球背面并不等于“月之暗面”，它同樣能接受太陽光照。

2019年1月3日，“嫦娥四號”登上了月球背面，地點是南極-艾特肯盆地（South Pole﹣Aitken basin）里的馮·卡門環形山。

這是人類探測器第一次在月球背面軟著陸。1959年，蘇聯的“月球3號”探測器讓人們遠遠窺見了月球背面的樣子。1968年，美國“阿波羅8號”宇航員，第一次用肉眼看到了它。

作為普通人，雖然可以在任天堂發行的游戲《超級馬里奧：奧德賽》中，穿上宇航服，在所謂“月之暗面”的關卡里游覽個痛快，但所見終究不如現實里那么“貨真價實”。艾特肯盆地是太陽系內已知第二大的環形山，直徑超過2500公里。科學家們在20世紀90年代就希望一睹其芳容，那里的巖石可能有40億年的歷史，還含有相當含量的氦-3與液態冰（一種特殊的冰水混合物）。

2018年2月，印度宣稱“月船2號”將探測這一地區。這里也是美國宇航局早就希望“落腳”并派遣機器人取回巖石樣本的地方。不過，最終還是中國的月亮女神“嫦娥”先行一步。

月球背面

在地球上，月球背面是無法觀測的“盲區”。所以，關于它的陰謀論極其流行。

比如電影《變形金剛3：月黑之時》就篡改了“阿波羅11號”的登月歷史。影片中，美國前總統肯尼迪在“阿波羅11號”登陸前，提醒宇航員注意外星人的行蹤。果然，宇航員們在月球上發現了飛船“方舟”和年邁的汽車人“御天敵”。突然，全球直播的登月實況中斷幾十分鐘。肯尼迪命令阿姆斯特朗不遺余力地跑向月球背面，從那里帶回變形金剛的核心科技—當個故事聽聽就好了。

月球本身是渾然一體的，之所以從地球上看有正面、背面之分，是因為月球不僅繞著地球公轉，也繞著自身的軸自轉，而它的自轉速度恰好與繞地球公轉所需的時間相等—這個原理也被稱為“潮汐鎖定”，大的天體對小的天體形成潮汐力，使小天體一直以同一面“示人”。如果有一天人們站在火星上，也會發現火星的衛星—火衛一、火衛二，同樣有著“潮汐鎖定”現象。

換句話說，月球的公轉周期和自轉周期為1：1，因此在地球上的人看來，月球總是露出它的正面。而由于軌道面交角造成月球“晃動”的現象，這個月球正面的范圍比背面要大一些，約占月球表面積的59%。

其實，月球背面并不等于“月之暗面”，它同樣能接受太陽光照，只是由于背面不朝向地球，無法將陽光反射到地球罷了。

值得注意的是，“嫦娥三號”“嫦娥四號”探索的都是月球的高緯地區，例如前者著陸在北緯44.1°、西經19.5°的虹灣區域。過去，美國和蘇聯都向月球發射過很多探測器，不過范圍大多局限在赤道兩側27°以內的帶狀地區，包括宇航員的活動范圍也處于低緯度。

降落在低緯度，通常有幾方面考慮：首先，月球赤道附近光照理想（月球赤道面與黃道面的交角僅有1.54°），光學設備能清晰勘探，太陽能電池也能更好地工作。其次，像“阿波羅”系列飛船載人的話，需要返回地球，那么從月球低緯度升空，便于利用赤道附近較大的線速度，節省燃料。再次，從近地軌道一路輾轉而來的探測器或載人飛船，如果進入與月球繞地軌道基本“共面”的近月下降軌道，再“就近”降落在月球赤道附近（月球繞地軌道和月球赤道面交角小于7°），可免去向高緯度大幅變軌的折騰。

馮·卡門環形山的坐標是南緯45.5°、東經177.6°，該地不易著陸，在太陽能供應上也相對受限。顯然，“嫦娥四號”是在迎難而上。

“玉兔，咱家里來人了！”

“嫦娥四號”其實是個“備胎”。它原本的命運是，做“嫦娥三號”的備份探測器。不過，2013年“嫦娥三號”圓滿完成了任務，著陸在月球正面的虹灣，還留下了令人魂牽夢縈的月球車“玉兔”。這樣，“嫦娥四號”又有了新使命。

目前，“嫦娥五號”預定在2019 年12 月前后發射。

它包含了著陸器和漫游車。著陸器重1.2噸，漫游車重140千克。著陸器有放射性同位素熱電機，可以在3個月的任務期限里，為搭載的科學儀器供電。漫游車才是探索月球背面的主角，而且，經過將近45萬中國公民的投票，它的名字叫“玉兔二號”，以此來紀念它的弟弟或妹妹—在月球孤獨工作了972天后停擺的“玉兔”。

“玉兔二號”和著陸器分離后不久，著陸器上的監控攝像頭拍攝它的 “足跡”照片，即通過“鵲橋”中繼星傳回了地球。之后為了迎接月晝高溫的挑戰，“玉兔二號”計劃先休眠一段時間，再被喚醒。

從“玉兔二號”的“配置”來看，有太陽能電池板，有挖掘和分析土壤樣本的工具，搭載了全景攝像機來拍攝月球表面的三維圖像，還搭載了探測雷達、可見光和近紅外成像光譜儀，來探測月球背面的地形和礦物組成成分。

它還帶了一個3千克的密封容器，里面裝了馬鈴薯、擬南芥種子和蠶卵，以便測試植物和昆蟲能否在月球共生。蠶卵一旦孵化，幼蟲會產生二氧化碳，而萌發的植物會通過光合作用釋放氧氣，有望在容器內共建一個微型的生態系統。這一實驗由28所中國大學設計。1982年的時候，蘇聯“禮炮七號”空間站就種了一些擬南芥，它們在太空開花、死亡，壽命為40天。

1月3日，在北京航天飛行控制中心，科研人員在緊張工作

“嫦娥四號”降落過程示意圖

據悉，“玉兔二號”將陪伴“玉兔”，永遠留在月球表面。不過，它們很快就能等來“能回家”的“玉兔三號”。

“嫦娥工程”小三步

由中國國家航天局主導、2003年啟動的“嫦娥工程”，分“大三步”和“小三步”。

“大三步”是“探”“登”“駐”—無人探月、載人登月、長久駐月。其中“探”分為“小三步”，即“繞”“落”“回”。

“嫦娥一號”和“嫦娥二號”做的是“繞”，2007年啟動，作為月球軌道器，在距離月球表面約2000公里的高度繞月飛行，進行全球探測。

“嫦娥三號”和“嫦娥四號”做的是“落”，2013年啟動，發射月球著陸器，落到月球表面，釋放一個月球車，在著陸區進行詳細探測。

“嫦娥五號”“嫦娥六號”，則會發射月球自動采樣返回器，它降落到月球表面采集樣本后，其中的返回器還會回到地球。這就是“回”。1970年的蘇聯“月球-16”探測器最早做到了這一點。目前，“嫦娥五號”預定在2019年12月前后發射，“嫦娥六號”預定在2024年發射。

歐洲航天局在2017年發布的3D打印月球基地效果圖

等這“小三步”完成得差不多了，“載人登月”就會提上中國航天日程，并在21世紀30年代得以實現。

就剛剛著陸的“嫦娥四號”而言，它跟“嫦娥三號”結構類似，完成的任務也類似，突破的技術難關也比較接近。

月球表面沒有大氣，沒法利用氣動減速的辦法著陸。“嫦娥四號”首先要靠自身推進系統減少近1.7km/s的速度，這要求它自己的推進系統的速度增量必須夠大。同時，下降過程中，探測器的質量不斷減小，重力也隨之變化，自身的推力也要可以調整才行。

軟著陸的下降過程，是個時間短、速度變化大、不可逆的過程，沒法依靠地面實施制導和控制，只能靠自己的GNC系統—利用基于對月測速、測距和地形識別的傳感器，來進行全自主的制導、導航、控制。而且月球背面到處坑坑洼洼，很少有“完整”的地方，“嫦娥四號”還得有一定的自主避障能力。

著陸時，必須有“著陸緩沖系統”來吸收撞擊月面的沖擊載荷，還得保證著陸器不翻倒、不陷落。

巡視探測的過程也很復雜。漫游車要在有限的能源下，做出前進、后退、轉彎、爬坡、越障等動作，并保持運動的穩定性。車輪形態、懸架形式、月壤可通過性和移動性能仿真性，都是要處理的問題。

到了預定的工作地點后，月球車還要具備在環境中識別危險、確定自身姿態位置、辨別目標位置、規劃到達目標位置的能力。這需要基于多種傳感器信息融合的路徑規劃技術。

這些難點，“嫦娥三號”和“嫦娥四號”都攻克了。“嫦娥四號”主要是優化了降落過程的制導程序，漫游車也會等待電力充滿再工作。

奔月何為

地球人很早就惦記著“上月球”了。“瓊樓玉宇，高處不勝寒。”科幻小說家儒勒·凡爾納寫了《從地球到月球》，吸引了魯迅為之翻譯。他在序言中連連稱奇：“然人類者，有希望進步之生物也，故其一部分，略得光明，猶不知魘，發大希望，思斥吸力，騰空氣，泠然神行，無有障礙。”

當然，登上月球，一方面是滿足科學探索的好奇心，一方面也有很多現實的因素。“阿波羅”系列飛船帶回的樣本證實了氦-3的存在。根據探測結果，月球上的氦-3含量估計在100萬噸以上。氦-3是氦的同位素之一，地球上的儲量極其稀少，只有10～15噸。使用氦-3的核反應堆沒有中子，因為純氦-3的熱核反應只會產生沒有放射性的質子，因此也就不會產生輻射。

據專家計算，如果采用氘和氦-3進行核聚變反應來發電，美國年發電總量僅需消耗25噸氦-3。以目前全球電價和空間運輸成本算，月球上1噸氦-3的價值約為40億美元。但隨著空間技術的成熟，運輸成本一定會下降。法國科學家就宣布，2030年將使用氦-3進行商業發電。

著陸器地形地貌相機拍攝的“玉兔二號”在A點影像圖

印度也早就瞄準了月球上的氦-3。“月船2號”的目的正在于此。不過，對月球開采，只有美國和盧森堡通過了立法，允許商業實體將太空開采的東西據為己有。目前，還沒有任何相關國際性條約。

月球南極的艾特肯盆地，正是氦-3的豐富儲地。“嫦娥工程”的“科學目標”中就包括，“評估月壤中氦-3的資源量與分布”。

除了為地球提供能源，月球最大的作用還是做一個“中轉站”。比如建天文臺，由于沒有大氣層遮擋，沒有電磁波干擾，絕對是天文觀測的最佳場所。此外，從月球背面能看到宇宙深處，從月球南極能看到銀河系的中心。

在月球上建火箭發射場也特別有利。首先，燃料可以就地取材;其次，重力小，發射輕松。所以，美國的長期空間探索計劃是要先建立月球基地，再從月球基地出發去探索火星。

太空競賽

相對于美國航天事業的“遙遙領先”和蘇聯-俄羅斯的殷實家底，印度一直希望坐穩“第三名”的位置，不過這一愿望未能順利實現。

繼美國和俄羅斯之后，中國是第三個用自己的火箭將自己的宇航員送上太空的國家。首次載人行動是2003年，從那以后，中國已經將11名宇航員送入太空。2016年，兩位中國宇航員在中國的第二個空間實驗室“天宮二號”駐留了30天。

2018年，中國向太空發射了38枚火箭—首次在數量上超過了其他國家;10月有一次發射任務失敗，不過主角是中國首枚民營運載火箭“朱雀一號”。作為中國最大推力新一代運載火箭，“長征五號”重型火箭今后將擔負更大的責任，比如發射“東方紅五號”衛星。

2014年9月，印度發射的火星軌道探測器成功進入火星軌道。

比較惋惜的是，中國火星探測計劃中的第一顆火星探測器“螢火一號”，2011年11月搭乘在俄羅斯的探測器上一起發射升空，但因俄聯邦航天局提供的“福布斯-土壤”探測器沒能按計劃變軌，結果雙雙被困在距離地表206～340公里的近地軌道。俄羅斯先后兩次搶救均未成功，“螢火一號”最后于2012年1月墜入太平洋。

而印度在火星探測上破了一個紀錄。2014年9月，印度發射的火星軌道探測器成功進入火星軌道，使印度成為全球首個第一次嘗試便成功入軌的國家，僅排在俄羅斯、美國和歐洲之后。但是除此之外，無論是發射火箭、衛星，還是載人、探月，印度的速度都不算太快。

印度的登月計劃也分三個階段，第一階段是發射無人探測器“月船1號”，這一目標已在2008年達成。第二階段是發射登月機器人。原定“月船2號”將于2019年1月發射，但因故再度推遲，官方表示目前無法確定發射日期。

2018年12月28日，印度內閣會議批準了載人在太空停留7天的“加岡揚”計劃。這是印度首項載人太空任務，將用GSLV Mark III火箭發射“加岡揚”軌道宇宙飛船，載3名宇航員到距離地表400公里的太空軌道。該任務計劃耗資1000億盧比，于2020年進行。

太空探索是一個極其耗費時間和資金的事情，不是小國能辦到的。對于大國來說，太空探索必須作為國家級優先事項，不受政治、經濟波動的影響，才能保證計劃穩定實行。探索的時間、名次、難度，就像國家的勛章，這種榮譽是被記載在人類史冊上的。

“嫦娥四號”在迄今為止月球上最大的撞擊盆地成功著陸，縮小了中美在登月方面的差距。平克·弗洛伊德樂隊有張著名的專輯《月之暗面》（1973），蟬聯了“Billboard 200”917周的冠軍。這張專輯關注了人類普世價值的主題，還為迷幻搖滾加進了實驗性，開創了“太空搖滾”的時代。樂隊成員Roger Waters說：“這張專輯有一個核心思想，那就是人的生命只有一次，所以你必須去抉擇、去探索，所以歌詞里說‘我會在月之暗面（其實是指月球背面）與你相見。”