嫦娥四號月背軟著陸的重大意義

歐陽自遠

在人類的歷史上，全球各國已進行過100多次探月活動，人類和無人探測器已經成功著陸過月球數十次。月球有豐富的能源，利用月球巨大的太陽能發電和核聚變發電，能為人類社會的持續發展提供重要支撐，因此世界各國都在積極推進探月工程。然而，從地球上看月球，看到的永遠是朝向地球的半個月球，這是因為月球自轉的周期與它繞地球公轉的周期是一樣的，因此月球始終只有相同的一面朝向地球，這導致我們地球上的人永遠只能看到月球的正面，天文學上稱之為“潮汐鎖定”。數十年來，通過對月球正面的探測，人類基本掌握了月球正面演化的歷史，但是，月球背面記錄著月球更古老的歷史。人類利用繞月探測軌道器也對月球背面開展過地形地貌繪制以及觀測，如1959年蘇聯月球3號首次編制出第一幅月球背面影像圖，1968年美國阿波羅8號第一次實施了載人環月飛行，觀測月球背面的地形地貌。但是，在此次嫦娥四號造訪前，從來沒有人類探測器在月球背面進行過軟著陸，月球背面是著陸探測史上的空白。

人類跨出了新的一步

對于人類而言，月球背面仍猶如一個秘境，有許多未知等待探測。一方面，月球背面的地質情況與正面有所不同，研究探索月球背面的地質演化歷史，對理解月球的形成和長達45億年的歷史具有重要的意義。另一方面，來自宇宙空間的電磁波只能被地球接收到一部分，而地球的電離層又對低頻輻射電磁波產生嚴重干擾，低頻輻射電磁波難以在地球表面和月球正面被人類接收到。因此，科學家們一直希望找到一個地方去研究來自宇宙空間的低頻電磁信號，而月球背面正是接收低頻輻射的一個完美的場所。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。

在世界各國積極推進的探月工程中，中國的嫦娥四號在月球背面的首次軟著陸無疑代表著人類跨出了新的一步。2018年12月8日，嫦娥四號在西昌衛星發射中心發射成功，不久后就成功進入地月轉移軌道，開始向月球飛行的旅程。2019年1月3日，經過20多天的太空飛行，嫦娥四號在月球背面的預選著陸區——南極-艾肯盆地內的馮·卡門撞擊坑——成功著陸，成為世界第一個在月球背面軟著陸的探測器。探測器包括著陸器和月球車，著陸器開展原位探測，玉兔二號月球車開展巡視探測，兩者將開展聯合探測。

技術難題

嫦娥四號的首次月背著陸對我國軌道控制、著陸和通信技術提出了巨大挑戰。事實上，探月的每一步邁出，都需要攻克無數的科學技術難題。嫦娥四號的成功著陸顯然也是基于幕后不為人知的反復論證和嚴謹試驗以及前面數次探月的實踐。

要實現月球背面著陸，首先要解決的問題就是通信上的障礙，即要與地球地面建立聯系。由于潮汐鎖定，月球背面的探測器無法和地球直接通信。為此，2018年5月，我國先把“鵲橋”月球中繼衛星送入地月拉格朗日L2暈軌道，作為接下來嫦娥四號與地球進行通信的橋梁。這也是人類首顆月球通信中繼衛星。

其次，需要找準合適的登月時機與角度。合適的時機指的是月球背面的晝夜時間。地球有晝夜之分，月球的正面和背面也有晝夜之分。嫦娥四號發射時，人們看到的月亮是個新月，即月球的正面剛天亮，而其背面則是寒冷的黑夜，不能實施軟著陸，需要等到月球背面是白天才能實施背面著陸。科研人員通過計算，計算出在2018年12月30日太陽將再次照射到預定落區，而此時嫦娥四號還需調整角度，等到真正著陸的時候，應該是2019年的1月初，這一估算與嫦娥四號實際著陸的時間相吻合。

第三，要找準著落的地點和環境。嫦娥三號的著陸區是月球正面的彩虹灣，那里地勢較為開闊、平坦，位于大型撞擊坑、月海、高地交匯地區，有利于勘察目標的選擇，也有利于與地球的通信。相較于嫦娥三號，嫦娥四號的著落環境更為復雜，因為月球背面山峰林立，大坑套小坑，很難找出大一些、平坦一些的地方供嫦娥四號安身。嫦娥四號在凸凹不平的地方軟著陸，需要更準確的著陸精度。這次選擇南極-艾肯盆地（一個月球背面南半球的直徑達2 480千米，深度為12.8千米的巨型撞擊盆地）的原因有幾個：首先是大，它是太陽系中目前已知的最大的撞擊盆地，可以幫助我們了解太陽系中的超大型撞擊事件的過程；其次是深，盆地深達約13千米，是月球上最深的撞擊盆地，這意味著當年的撞擊事件很可能挖出了月殼深處甚至月幔的物質，這些會是研究月球內部成分的鑰匙；然后是古老，它形成于月球的前酒海紀（39.2億年前），是月球上最古老的大型撞擊盆地，盆地內部最古老的巖石被裸露，可以直接探測它們的成分、形成年齡和環境，想要建立月球45億年的漫長歷史，南極-艾肯盆地是一個至關重要的環節。

主要任務

嫦娥四號此次登陸月球背面的主要科學任務之一是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究。著陸器安裝了低頻射電頻譜儀，專門接收來自星系空間和太陽系空間的低頻和甚低頻輻射，填補0.1～40 兆赫范圍內的射電觀測空白，還能與鵲橋中繼星上攜帶的我國與荷蘭合作研發的低頻射電探測儀協同觀測，互為驗證和補充。經過分析研究，獲取星系空間和太陽系空間的一些重大事件和過程的科學信息，我們期待有新的發現。

嫦娥四號登陸月球背面的主要科學任務之二是開展月球古老巖石的成分、類型和分布特征研究，進一步充實月球的演化歷史。60年的月球探測歷史，使我們對月球正面演化歷史的認識比較清晰，包括地質構造運動、巖漿活動歷史、小天體撞擊歷史與過程、月球內部的結構和全球偶極磁場的消失等。但是對月球背面的地質演化歷史，特別是40億年以前的古老歷史仍然證據不足，期望通過月球背面的探測，構筑月球演化的整體歷史，并對比月球正面與背面演化歷史的差異。月球車安裝的紅外線成像光譜儀探測巡視路徑中的各類古老巖石的礦物成分和類型，測月雷達探測巡視路徑中的淺層結構。

嫦娥四號登陸月球背面的主要科學任務之三是探測月球背面及近月空間環境。著陸器上安裝有月表中子及輻射劑量探測器，月球車上安裝有中性原子探測儀，探測月球表面和近月空間的中子、中性原子和輻射劑量等環境參數。

對于月球背面的地形地貌特征研究，著陸器上安裝的地形地貌相機和月球車上安裝的全景相機能記錄拍攝月球背面著陸區與巡視區的地形地貌、撞擊坑大小與分布，因此規劃月球車的巡視探測路徑有重要意義。

我國的探月工程

為了更好理解嫦娥四號月背軟著陸的科學意義，有必要簡要回顧一下我國探月工程的進展脈絡。我國的無人探月工程分“繞、落、回”三期，“繞”是指環繞月球進行不接觸月表探察，“落”是指著月探測，“回”是指在月球表面著陸，并采樣返回。

2007年，嫦娥一號繞月飛行，繪制了幾百張特殊的月面圖，最后形成一張全月地形影像圖，并做了月面的三維立體圖，這是全世界最好的立體圖。此外，嫦娥一號將月球外圍的近月空間環境以及月表各種巖石的成分、類型和分布都探測得很清楚。月球上有一種資源，被稱為人類未來的終極能源——核聚變發電的原料氦-3。這種資源地球上幾乎沒有，而月球的土壤里極其豐富。據我們探測，月球上的氦-3大約是120萬噸。在核聚變發電得以實現時，全世界一年的能源需求大約需要氦-3的用量為100噸，月球的氦-3至少可以解決全人類未來數千年的能源需求，這是人類的財富。

嫦娥四號著陸器與月球車

嫦娥五號模擬圖

2010年發射的嫦娥二號飛行高度是距離月面100千米，照相機的分辨率可以達到7米，可以看清楚撞擊坑的壁和底。它完成了一幅7米分辨率的全月球數字影像圖和三維立體圖，這個數字影像圖在空間分辨率、影像質量、數據一致性和完整性、鑲嵌精度等方面優于國際同類全月球數字產品，是目前最高水平的全月球數字影像圖。嫦娥二號在全月球的巖石成分、類型、分布以及近月空間環境的探測等方面取得了系統性和前所未有的重大成果。后來，嫦娥二號又飛到離地球150萬千米以外的太陽-地球引力動態平衡的拉格朗日L2點，監測太陽活動與太陽爆發235天，得到了世界上有關太陽活動與爆發的最多的系統數據。繼而嫦娥二號飛離地球702萬千米，2012年12月1日首次與圖塔蒂斯小行星交會（交會間距870米，相對速度 10.73千米/秒，最高分辨率 10米），探測小行星的形狀、大小和結構等（首次探明小行星的大小為 4.46 千米×2.4千米） 。當前，嫦娥二號已經成為一個人造小天體，圍繞太陽運行，離開地球4億多千米。2029年，嫦娥二號還將回歸地球附近。

2013年發射的嫦娥三號剛好降落在月球雨海的彩虹灣里。在月球上著陸，由于月球表面是真空的，用降落傘毫無意義。探測器著陸下降時會受到月心引力的加速度作用越掉越快，最后將撞擊月面摔得粉碎。為此，嫦娥三號著陸器底部安裝了發動機，一邊往下掉的同時發動機在往上推，讓它慢慢掉下來，掉到距月面100米的高度懸停移動，拍攝了3 764張著陸區照片。著陸器上配置的高智能計算機立即分析判斷，尋找安全的著陸位置。嫦娥三號開辟了中國在月球上“巡天、觀地、測月”的歷史。著陸器上配置了近紫外光學望遠鏡，是人類首次在月球上進行天文觀測，發現了很多天文事件的新證據；著陸器上配置的遠紫外照相機，實現了人類第一次在月球上觀測地球和地球等離子體層的變化：在距離地球最近的天體上看到地球在慢慢轉，24小時轉一圈，看到它外面所有的結構，等離子體層一層一層地變化，我們就能知道地球將發生什么環境變化；在月球車的底部安裝了一臺雷達，是人類第一次用雷達探測月球車所經歷的路線下的次表層結構。

我國“繞、落、回”探月工程的第一階段馬上就要完成了，最后一顆嫦娥五號預計將于2019年在海南島文昌發射，并著陸在月球上的一個新位置，這個位置有很多新的科學問題，人類從不知道那一帶的情況。嫦娥五號將實現月球物質自動取樣返回。預計采集2千克到3千克的樣品，供全國的科學家進行研究。

從嫦娥一號到嫦娥五號，我們既可以去月球，也可以安全著陸月面，還可以安全返回地球。我們有能力將中國的航天員送上月球，實施載人登月，完成科學考察任務之后，安全返回地球。將來我們還希望在月面建立固定的月球科學探測基地。

下一步的深空探測計劃

2020年，我們將會開始火星的探測。為什么是2020年呢？我們知道地球繞太陽轉一圈365天，火星繞太陽轉一圈687天，有時候地球在太陽的一邊，而火星在太陽的另一邊，我們無法過去，所以一定要在恰好的位置才能發射探測器到火星，探測器飛行7個月左右到火星。每26個月才有一次機會，所以我們一定要把握好2020年這個窗口期。

事實上，地球有很多潛在的自然威脅，如小天體撞擊地球、人類自己的錯誤行為等誘發氣候、生態和環境災變以及生物物種滅絕事件等。如果地球不能居住了，我們一定要給人類準備第二個棲息地，最好的選擇就是改造火星。

因此我們想知道，火星上有沒有生命，火星的環境是怎么樣的，需要如何去改造火星，讓它變成第二個地球。也許人類通過幾個世紀的卓絕努力，能將這顆貧瘠的行星改造成一個擁有蔚藍天空、綠色平原和藍色湖泊的生態環境友好的、生機盎然的新世界，地球-火星將成為人類社會持續發展的姐妹共同體。而到目前為止，人類還沒有從火星上取回一克樣品，我們中國將爭取帶頭著陸火星并把樣品帶回地球。2020年我們將發射一個衛星，繞火星飛行并進行遙感探測；進一步通過這顆衛星向火星釋放火星車，在火星表面開展巡視探尋；兩者結合開展火星天地聯合探測，更多地了解火星的情況。

太陽系有八大行星，我們現在可以到火星了，今后我們還要去木星，我們要飛到盡可能多的太陽系的行星上，開展行星際穿越探測。我們想知道太陽系是怎么起源的，如何規避天體對地球的威脅，行星上的資源是否能為人類社會的持續發展做貢獻，等等。火星著陸巡視和取樣返回、小行星探測、木星及其他行星之間的穿越和木星衛星的探測，這些都是我們列入計劃、希望要開展的探測。

空間時代的到來，是我們人類必然會邁向的一個康莊大道，也是科技發展的又一個重要的未知領域。比之于幾十年前的兩手空空、有心無力，今天的中國，已經向深空探測邁出了實實在在的一大步。今后中國一定會飛得更遠，向探測整個太陽系進發！