赴西昌看發射 解密“嫦娥四號”7-97任務探月之旅

●臨滄市第一中學 鄭德楊

很榮幸于2018年12月7日當晚，乘車前往位于大涼山腹地的西昌衛星發射中心，隨航天專家近距離感受航天魅力與風采，有機會更深入了解“嫦娥四號”，并于12月8日凌晨0:23見證了人類歷史上首個在月球背面著陸的航天器“嫦娥四號”衛星探測器的發射。途中還與隨行的臨滄市第一中學科創中心學生——李欣悅，中國空間站入圍項目設計者段瑋共同參觀了奔月樓。

現場“看”“測”奔月路

根據現場借助我國北斗衛星，綜合技術處理獲得的發射場衛星圖像以及相關參數，西昌發射中心面積136091.5平方米，周長1598米。

從現場發射來看，2:23:36發動機點火，2:23:41火箭飛離2號工位塔架最高度，火箭并沒有垂直飛行太長時間，且有偏移。“嫦娥四號”發射升空之后，首先往西偏北約33°方向飛行，西向飛行約2.6千米之后，貌似發動機熄火片刻，往東飛行，隨后一直自西向東。02:25:40火箭仍然在肉眼可見視線范圍內。

在“嫦娥一號”任務中，無論是在地球附近還是在月球附近，都要經過多次軌道調整的過程。到“嫦娥二號”時，飛船測控和動力控制技術的提高使得“嫦娥二號”在發射后由運載火箭直接送入了地月轉移軌道，無需在地球附近進行三次軌道調整。這次，長征三號乙運載火箭帶著“嫦娥四號”走的是直飛月球的航線，這是使探測器省時省力的一條捷徑，也是國際上奔月的主流方式。經過1000多秒的飛行，火箭把探測器送到地月轉移軌道入口，而剩下的路就要靠探測器自己走了。

“嫦娥四號”的由來及任務

2014年，“嫦娥三號”任務圓滿完成后，國防科工局牽頭組織開展了“嫦娥四號”任務實施方案調整的論證工作。綜合考慮國際前沿、科學價值、經濟和技術可行性等因素，最終確定了月球背面軟著陸和巡視探測的總體方案。2016年1月經國務院批準正式實施，包括一枚著陸器和巡視器（月球車）的組合體，以及一枚為著陸器/月球車與地球提供通訊的中繼衛星“鵲橋”號。

“嫦娥4號”著陸器（左）和月球車（右）模型圖

“鵲橋”工作示意圖

“嫦娥四號”任務的工程目標：一是研制發射月球中繼通信衛星，實現國際首次地月拉格朗日L2點的測控及中繼通信；二是研制發射月球著陸器和巡視器，實現國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。“嫦娥四號”的科學任務主要是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究；開展月球背面巡視區形貌、礦物組份及月表淺層結構探測與研究；試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。

為何選擇西昌發射場？

中國目前有4大發射場，即：酒泉衛星發射中心，神舟飛船從這里起飛，始建于1958年10月，位于甘肅省酒泉市及阿拉善盟兩市盟方圓2800平方千米范圍內，是我國最早建設的衛星發射中心；太原衛星發射中心，發射極軌道衛星主要基地，始建于1967年，位于山西省太原市西北的高原地區，地處溫帶，海拔1500米左右；西昌衛星發射中心，地球同步軌道衛星發射任務的航天發射基地，始建于1970年，位于四川省涼山彝族自治州境內，中心總部設在四川省西昌市；文昌衛星發射中心，始建于2014年10月，占地12.354平方千米，位于海南省文昌市龍樓鎮境內，是中國首個濱海發射基地，也是世界上為數不多的低緯度發射場之一。

自古便有“清風雅雨建昌月”之說，“建昌”，今四川西昌，這里的月景特別有名。這座因月景而聞名的“月城”現在已經成為了名副其實的探月港。

從理論上講，發射場離赤道越近，所處緯度越低，火箭的發射就能更充分地利用地球自轉的離心力。這樣，在進行同樣的發射任務時，低緯度的發射場發射的火箭就可以使用更少的推進劑，同時搭載更多的有效載荷。

西昌衛星發射中心相較于酒泉衛星發射中心和太原衛星發射中心最大的優勢就是緯度低。在這樣的地理條件下發射地球同步軌道衛星，能夠節省推進劑進而節省發射成本，因而更具優勢。例如：每1.57°就可以節省1%推進劑，相差23.5°，就可以節省15%的推進劑，差距十分明顯。

此外，西昌衛星發射中心還有一個比較大的優勢就是氣象條件好。西昌歷來就有小春城之稱，這里年平均氣溫18℃，日照多達320天，幾乎沒有霧天，所在地地質結構堅實，通訊環境也比較理想，所以嫦娥系列衛星選擇在這里發射也就不足為奇了。

為何于2018年12月8日凌晨發射？

“……6、5、4、3、2、1，點火！”伴隨著巨大的火箭轟鳴，肩負著億萬中華兒女的探月飛天夢想，2018年12月8日凌晨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。

“嫦娥四號”探測器發射日期只有12月8日、9日兩天，如果錯過，就需要等到2019年甚至更往后，而且每天只有兩個發射窗口，第一個發射窗口有效寬度2分鐘，第二個發射窗口寬度僅1分鐘。發射窗口指運載火箭發射比較合適的時間范圍，是根據航天器本身的要求及外部多種限制條件，經綜合分析計算后確定的。時間范圍的大小也叫發射窗口的寬度。窗口寬度有寬有窄，寬的以小時甚至以天計算，窄的只有幾十秒，甚至為零。為了確保火箭準時發射，研制團隊一方面采用適應多窗口、窄窗口約束的軌道設計技術，另一方面對火箭主要分系統和重要單機采取可靠性設計和冗余改進，確保滿足窄窗口發射約束。因此，選擇在凌晨發射，是受發射窗口限制，這是由于它們要在月球著陸，與月球交會的時間和落月的時間都受到約束。

選擇“嫦娥四號”發射窗口時，需要考慮很多約束條件，使得探測器與日、地（包括地面點和近地軌道）、月（包括著月點）的相對關系滿足月背著陸需求。例如，奔月軌道需要調整近月點經度和飛行時間，讓環月軌道臨近著月點上空，為著陸器登月創造條件。在探測器奔月飛行過程中，要考慮太陽能帆板的受曬問題，要求太陽光入射方向與太陽帆板之間的夾角保持在一定范圍內。此外，在飛行和著陸過程中，還要考慮探測器的連續測控問題。諸多約束條件的作用并不相同，有些決定發射月窗口，有些決定發射日窗口，還有一些約束可能形成對立關系。發射窗口就是在這些約束作用下，形成發射機會的交集。“嫦娥四號”要在月背著陸，各種約束關系特別復雜，因此發射窗口只有幾分鐘。

中繼星“鵲橋”

“鵲橋”提供中繼通信服務，為地球和月球搭建一條跨越40多萬千米的通信“橋梁”。

2018年5月21日5點28分，在我國西昌衛星發射中心，“嫦娥四號”中繼星“鵲橋”搭乘長征四號丙遙二十七運載火箭升空，送入預定近地點約200千米、遠地點約40萬千米的地月轉移軌道。由于長征四號丙火箭發射精度較好，“鵲橋”中繼星精確入軌，原計劃在近月制動前實施的3次軌道中途修正，根據判據準則，最終僅經過1次中途修正，于5月25日到達近月點并于21時46分成功實施近月制動后，順利進入月球至地月L2點的轉移軌道。

2018年6月14日11時06分，探月工程“嫦娥四號”任務“鵲橋”中繼星成功實施軌道捕獲控制，進入環繞距月球約6.5萬千米的地月拉格朗日L2點的Halo使命軌道，成為世界首顆運行在地月L2點Halo軌道的衛星。

近月制動是“鵲橋”中繼星飛行過程中一次關鍵的軌道控制。中繼星飛臨月球附近時，其相對速度高于月球逃逸速度，有效減速制動對衛星進入預定轉移軌道至關重要。

地月拉格朗日2點（簡稱“地月L2點”），距離地球40多萬千米，是5個地月拉格朗日點之一。地球和月球兩大天體在太空中運動，其萬有引力與離心力在這5個點處得以平衡。倘若這5個點處存在第三個天體，且這個天體的質量相對于地球和月球無限小——譬如中繼星，那么它就可以和地月保持相對靜止狀態，受地月引力作用可以保持相對穩定狀態，從而節省衛星燃料。

在5個地月引力平衡點中，L2點位于地球、月球兩個大天體的連線上，且在較小的天體（即月球）一側，又正好面向月球背面。“嫦娥四號”要在月球背面靠近南極的艾特肯盆地執行任務，所以選擇L2點。如果中繼星“守”在地月L2點，受月球遮擋，就“看不見”地球了。所以，設計師為其設計了Z向振幅約1.3萬千米繞地月L2點的Halo軌道。“鵲橋”架設在這一軌道上，既能“看見”地球，又能“看見”月球，可以同時與地球和月球背面進行信息和數據交換。

地月L2點位于地月連線的延長線上，該點軌道包括李薩茹軌道和Halo軌道，綜合考慮中繼星與“嫦娥四號”著陸器、巡視器的距離穩定性、覆蓋率、軌道進入和維持、月球遮擋影響等因素，科研人員經反復研究，最終確定將Halo軌道作為“鵲橋”中繼星使命軌道。

Halo軌道中文稱為“暈軌道”（“暈”字借自日暈、月暈），軌道形狀不同于地球衛星的橢圓軌道，而是三維非規則曲線，軌道控制非常復雜。“鵲橋”中繼星在Halo軌道做擬周期運動，通過定期軌控保持軌道的穩定性，實現對“嫦娥四號”著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

成功著陸月球背面過程

2019年1月3日10時26分，經過26天的飛行，“嫦娥四號”探測器成功著陸在月球背面東經177.6°、南緯45.5°附近的預選著陸區，成為人類首顆成功軟著陸月球背面的探測器，并通過“鵲橋”中繼星傳回了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。此次任務實現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，開啟了月球探測新篇章。

10時15分，科技人員在北京航天飛行控制中心，向“嫦娥四號”探測器發出指令。隨后，“嫦娥四號”探測器從距離月面15千米處開始實施動力下降，7500N變推力發動機開機，逐步將探測器的速度從相對月球1.7千米每秒降到零；在6-8千米處，探測器進行快速姿態調整，不斷接近月球；從距月面100米處開始懸停，對障礙物和坡度進行識別，并自主避障；選定相對平坦的區域后，開始緩速垂直下降。約690秒后，“嫦娥四號”探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內。落月過程中，降落相機拍攝了多張著陸區域影像圖。

“嫦娥四號”探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像

“嫦娥四號”探測器月球背面軟著陸后降落相機拍攝的圖像

為何26天才落月？

其實早就到了，只是在等天亮。實際上，“嫦娥四號”早在2018年12月12日就已經來到了月球附近，完成近月制動并成功進入繞月軌道，但那一天是農歷的初六，月球背面剛好處于夜間。因此，“嫦娥四號”要在繞月軌道上等待一段時間，直到月球的背面天亮后，再擇機實施著陸。地球上的一天和一年分別是地球自轉和公轉一圈的時間。在一天中，將迎來太陽的東升西落和黑夜與白天的交替。而在月球上的某一位置，完成一次同樣的過程卻需要27.3個地球天，也即655小時的時間，與月球繞地球公轉的周期完全相同。

實際上，在月球形成的早期，月球的自轉速度比現在快，月球上“一天”的時間也比現在短。然而，月球在公轉過程中，受到地球的萬有引力并不均勻。靠近地球的一側，萬有引力大于公轉的離心力，處于這側的巖石被拉伸，向靠近地球的方向隆起。在遠離地球的一側，受力情況相反，巖石向遠離地球的方向隆起。當月球的公轉速度和自傳速度不同時，由潮汐力引起的隆起位置會不斷改變，但隆起位置的改變始終跟不上地球與月球中心連線方向的變化。在這個過程中，潮汐力將改變月球的自轉速度，最終使得月球的自傳和公轉周期相同，潮汐力引起的隆起始終處于地月中心的連線上。這種現象被稱為“潮汐鎖定”。

在潮汐鎖定的作用下，月球朝向地球的部分是固定的，也就是我們能夠從地球上看到的那一面。隨著月球的自轉，月球表面被照亮的部分會逐漸發生改變。農歷每月十五，月球面對地球的一面（月球正面）被太陽照亮，此時那里是白天，地球上的我們所看到的則是明亮的滿月。而每月初一，月球上背對地球的一面（月球背面）被照亮，朝向地球的一面則變得黑暗，我們也就看不到月亮了。十五前后，月球正面被照亮的區域多，而初一前后，月球背面被照亮的區域多。

為何選擇月背？

馮·卡門撞擊坑的直徑只有186千米——這意味著“嫦娥四號”必須落得非常準。一旦偏了一點，就可能落不進平坦的區域，而是撞上崎嶇的高山低谷了。“嫦娥四號”的主著陸區南極附近的馮·卡門撞擊坑，著陸區面積比嫦娥三號月球正面的著陸區虹灣地區小了許多，而且月球背面山峰林立，大坑套小坑，不能像嫦娥三號那樣以弧形軌跡緩慢著陸，受月球背面環境影響，只能采取近乎垂直的著陸方式，這也加大了精準著陸的風險。月球的背面崎嶇坎坷，鮮有大片平坦的地方。既然難度之大，為何還義無反顧選擇了月背呢？

“嫦娥四號”本次選擇探訪南極-艾特肯盆地，不僅僅是因為月之背面還沒有著陸任務去過，還因為南極-艾特肯盆地本身就有重要的、不可替代的科學價值。科學家認為，月球背面更為古老，馮·卡門撞擊坑的物質成分和地質年代具有代表性，對研究月球和太陽系的早期歷史具有重要價值。月球背面也是一片難得的寧靜之地，屏蔽了來自地球的無線電信號干擾，在此開展低頻射電天文觀測可以填補射電天文領域在低頻觀測段的空白，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。中國國家航天局愿以此為基礎，與世界各國航天機構、空間科學研究機構及國外空間科學愛好者，開展合作，共同探尋宇宙奧秘。

馮·卡門撞擊坑的位置和周圍的幾個撞擊坑，黃色為本次“嫦娥四號”的著陸點，淺藍色區域為月海玄武巖填充區域，這些區域非常平坦。

南極-艾特肯盆地，（簡稱SPA）中的馮·卡門撞擊坑。這個撞擊坑是以航天工程學家、NASA噴氣動力實驗室（JPL）的創始人之一馮·卡門的名字命名的，他也是“中國航天之父”錢學森先生的博士導師。直徑約2400千米、形成于月球前酒海紀（39.2億年前）的南極-艾特肯盆地深達12千米，是太陽系中目前已知最大的撞擊盆地之一，也是月球上最深、最古老的大型撞擊盆地。這里的起伏可以高達7千米，而且波動明顯。

搭載的6種生物

隨“嫦娥四號”登陸月球背面的生物科普試驗載荷中，搭載的棉花、油菜、土豆、擬南芥與同時搭載的酵母和果蠅構成一個含有生產者、消費者和分解者的微型生態系統。截止2019年1月17日，已經有四顆種子萌發，一顆棉花種子在注水三天后萌發，目前長勢良好，莖稈粗壯，另外三顆油菜種子在注水七天后萌發，目前已經能看到綠油油的葉子長出來。棉花種子首先成功發芽，這是因為月球表面載荷罐持續了幾天的高溫，在35度以上的高溫下棉花是非常開心的，棉花就是一種喜高溫的植物，在高溫下種子萌發速度更快。

搭載的科普試驗生物，最終將在全封閉狀態的生物科普試驗載荷罐中慢慢分解，不會對月球環境造成影響。

“嫦娥五號”將在哪里發射？

作為我國四大衛星發射中心之一的西昌衛星發射中心，嫦娥一號、二號、三號、四號都是從這里開啟飛天之旅的，備受矚目的“嫦娥五號”恐怕就不能在這里起航了。出于歷史原因以及隱蔽性和安全性的考慮，西昌衛星發射中心建在了大涼山。這就給火箭運輸造成了麻煩。火箭運輸只能靠鐵路，運輸時需要穿越許多隧道，因此火箭組件的最大直徑不能超過3.5米。

計劃于2019年底承擔發射“嫦娥五號”任務的長征五號運載火箭的最大直徑超過了5米，因而無法選擇鐵路運輸。所以“嫦娥五號”就不能選在西昌發射了。且文昌維度（北緯19°）比西昌（北緯28°）更低，距離赤道最近，發射方向1000千米范圍內是茫茫大海，墜落的殘骸不易造成意外，是我國的最佳陸上發射場。