首登目背的中國信使

龐之浩

“要聽話，一路走好，不要摔下去了，不要走偏了。”

“嫦娥”4號要上火箭之前，技術工人師傅摸著探測器和月球車說。說著說著就掉下眼淚來。

看不到的地方總是多一層神秘色彩，比如月亮背面。不管您是否聽說過那里有外星人的傳言，或者您知道我們去月背探測的是太陽系內已知最大、最深的盆地，亦或者您單純覺得中國探測器代表人類第一次登上月球背面很驕傲，本期，我們的專題將帶您更加詳細、深入地了解月球背面的中國故事。

這是一個跨年度的故事，2018年12月8日02：23，“長征”3號乙運載火箭發射成功，直接將“嫦娥”4號送入近地點200千米、遠地點約42萬千米的地月轉移軌道。飛行4天后，進入月球軌道，繞著月球又飛了20多天尋找合適時機，終于在2019年1月3日10：26成功著陸于月球背面，成為世界第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，并實現首次月背與地球的中繼通信。

截至目前，全球已進行過約130多次探月活動，其實有探測器撞擊過月球背面，但是從來沒有一個探測器在月球背面進行軟著陸。這個首次，確實不容易。此前沒有突破這個第一次，重要的原因是在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信。中國智慧讓這個無法直線完成的信號傳輸“中轉”了一下。

可能不如“嫦娥”4號和“玉兔”2號有名，但其實也是本次探索月背系統的重要組成的“鵲橋”中繼星，成為了本次探月任務的先鋒軍。“嫦娥”4號發射半年前，“鵲橋”已經于2018年6月14日進入地月拉格朗日2點（簡稱地月L2點）的暈軌道。在這個使命軌道上，“鵲橋”能同時看到地球和月球背面，并具備在1000米/秒高速在軌飛行中，速度控制精度誤差不大于0.02米/秒的超強本領，從而可為在月球背面著陸的“嫦娥”4號及“玉兔”2號與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測控通信信號和科學數據。

在發射“鵲橋”之前，一次國際會議上，美國科學家向中國探月工程總設計師吳偉仁院士提出了合作請求——能不能延長中繼星的使用壽命，能不能在嫦娥四號上放美方信標機？吳偉仁問：“要我們的中繼星工作時間長一點干什么？”美國人不好意思地說：“我們也準備到月球背面去，中繼星延長使用壽命，到時候美國也想用用。”我們的“鵲橋”未來還會發揮作用，為美國隨后的月背登陸當信標機。

飛往月球的路

按照最初的設計，“嫦娥”4號在近月制動前應實施3次軌道中途修正，如上一頁大圖所示。但是據探月工程的設計師透露：探測器升空后，由于準時發射、準確入軌，中途軌道修正從3次減為1次，即只于2018年12月9日進行了1次，便達到了預期目標。

經過約110小時奔月飛行，2018年12月12日16：39，“嫦娥”4號在距月面129千米處成功實施了7500牛發動機點火，約5分鐘后發動機正常關機。16：45，嫦娥四號成功實施了近月制動，順利完成“太空剎車”，被月球捕獲，進入了近月點100千米的環月軌道。這一下“剎車”太關鍵了，如果“剎車重了”，例如每秒的速度多減30米，可能會導致它撞上月球；如果“剎車輕了”，探測器速度過大的話，月球引力也會拉不住它。

Tips

近月制動

給高速飛行在地月轉移軌道的航天器減速。使其被月球的引力捕獲，進入環月軌道。“嫦娥”4號飛行110小時，以10千米/秒左右的速度和月球相遇。此時它與月球的相對速度約為2.4千米/秒。到達制動點時，它需要通過減速發動機反推將速度降下來。將原本2.4千米/秒的相對速度降低到1.6千米/秒左右。這一腳“剎車”力度需要極其精準。

“‘鵲橋是人類首顆地球軌道外的專用中繼衛星，也是人類航天器首次涉及地月L2點使命軌道。”

——中繼星副總設計師 熊亮

2018年12月12日就進入環月軌道，之所以遲遲不著陸，是為了等待時機。由于降落地點處于南極附近，它需要逐漸調整軌道傾角才能經過這里，比較耗時。且為了使“嫦娥”4號最終能在白天實施月球背面軟著陸，從而充分獲取太陽能以便開展工作。不但如此，還要求等待太陽光照在月球的角度達到理想的狀態，這樣所有的地貌都會有比較清晰的陰影，最大程度輔助光學設備選擇并定位著陸地點。

從高度約100千米的環月軌道下降，想必大家都知道了，還需要實施“太空剎車”。2018年12月30日08：55，再次變軌成功，降軌進入近月點高度約15干米、遠月點高度約100千米的橢圓形環月軌道，這一腳剎車更是不能差毫厘，當時1.6千米/秒的飛行速度，幾十千米可能一分鐘都不到就飛完了，地面可能剛收到信號，就已經來不及采取補救措施了。

2019年1月3日10：15，嫦娥四號從距離月面15千米處開始實施動力下降，7500牛變推力發動機開機，逐步將探測器的速度從相對月球1.7千米/每秒降到零。在距月面約6千米～8千米處，探測器進行快速姿態調整，不斷接近月球；在距月面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”4號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。

中國的一小步

“嫦娥”4號地形地貌相機環拍全景圖

落月后，通過“鵲橋”中繼星的中繼通信鏈路，“嫦娥”4號探測器完成了來自遙遠地球的指揮中心的指令，首先就是太陽翼和定向天線展開，建立了定向天線高碼速率鏈路。11：40，著陸器上的監視C相機獲取了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖并傳回地面。那張照片，當天下午在朋友圈刷屏了，我看到最感動的轉發語是：我們的探測器挑戰了看似遙遠而黑暗的地方，誰給我們的勇氣？中國！

看到著陸自拍的照片后，地球上的關注者們就一直等著下一個激動人心的時刻——兩器分離。但在此之前，還有很多步驟要完成。分離的準備工作包含對“鵲橋”中繼星狀態、著陸點環境參數、設備狀態、太陽入射角度等兩器分離的實施條件，進行最終檢查確認。

1月3日15：07，北京航天飛行控制中心通過“鵲橋”中繼星向嫦娥四號探測器發送指令，兩器分離開始。“嫦娥”4號著陸器矗立月面，太陽翼呈展開狀態。巡視器“玉兔”2號立于著陸器頂部，展開太陽翼，伸出桅桿。解鎖順利分離，“玉兔”2號開始向轉移機構緩慢移動。轉移機構正常解鎖，在著陸器與月面之間搭起一架斜梯，巡視器沿著斜梯緩緩走向月面。

1月3日22：22，“玉兔”2號駛抵月球表面。著陸器上監視相機拍攝了它在月背留下第一道痕跡的影像圖，并通過“鵲橋”中繼星順利傳回地面。

科研人員根據導航相機拍攝的著陸周圍地形信息，對巡視器進行了路徑規劃，通過“鵲橋”中繼星發送了拍照遙控指令。巡視器全景相機對著陸器進行成像.著陸器地形地貌相機對巡視器成像，經過地面數據接收與處理，1月11日16時47分，北京航天飛行控制中心大屏幕上呈現出著陸器和巡視器的互拍影像圖。圖像清晰顯示了著陸器和巡視器周圍的月背地形地貌，兩器上五星紅旗分外醒目。

備份者的進步

“精確著陸避障是著陸器自主實現的，是人工智能在嫦娥4號上的一次完美應用。”

——著陸器制導導航與控制系統主任設計師 關軼峰

大家都說“嫦娥”4號跟3號長得一樣呀。確實極其相似，因為4號是3號的備份星。那是不是從2013年到現在這5年多，咱們中國的探測器沒什么進步呀？其實不然，我們從一個側面講講4號比3號改進的地方。就從著陸方式說起吧，月球正面有較為寬闊的平原，雖然也有許多隕石坑，但即使是坑底也相對平整，所以“嫦娥”3號是以弧形軌跡緩慢著陸。著陸區地形起伏僅800米，相當于在華北平原著陸，而嫦娥四號落區周圍有海拔10000米高的山，要落在凹地海拔負6000米處，地形起伏之大可想而知，相當于在崇山峻嶺的云貴川地區著陸。且月球背面地形相比正面更加復雜，著陸區面積相當于3號著陸區的1/8，隕石坑更多，大坑套小坑，地勢更陡峭，山峰林立，很難找出再大一些、平坦一些的地方供4號安身。

由于要在凸凹不平的地方軟著陸，所以需要具有比3號更準確的著陸精度。為了不撞到峭壁，“嫦娥”4號需具備很高的自主導航和避障功能，以便自主尋找地勢相對平坦的地區進行著陸，并只能采取近乎垂直的著陸方式，而且著陸時間短，航程短，風險高。

越過萬米高山降落到負6000的山谷，動力下降航跡的高程差變大，導航制導控制系統需優化動力下降策略；著陸區范圍縮小，探測器應具備高精度著陸控制策略；可能存在地形對通信和光照的遮擋，探測器需具備更強的自主功能。還有一個重要的不同不能忽略，“嫦娥”4號與地面交流需要通過“鵲橋”中繼星中轉，其間會產生約60秒的延時，這對于瞬息萬變的降落過程顯然太久，因此落月全程需要由它自主完成。

工作狀態上，“嫦娥”4號也有極大地進步。“嫦娥”3號在長月夜零下180℃的環境中是不能工作的，而4號采取新的能源供給方式——同位素溫差發電與熱電綜合利用技術，保證其度過寒冷漫長的月夜及正常開展探測工作，在國內首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。也就是說，我們將知道月夜真實的地表溫度了。

針對月球背面復雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學目標的實際需要等因素，對“玉兔”2號月球車進行了適應性更改和有效載荷配置調整，在運動安全、能源供給、科學探測和測控通信等方面均做了特殊的設計。尤其在線路方面進行了設計改進和試驗驗證，使它更強大，既不怕極熱極冷的“廣寒宮”，又能完成更多新任務。

“嫦娥”3號攜帶的“玉兔”號當年等待喚醒的那段揪心歷程也成為此次“玉兔”2號的前車之鑒。有針對性地進行了電纜設計與材料應用等技術的改進和試驗。“玉兔”2號月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗，同時也盡量減少電纜裸露在外的面積，減少電纜的故障風險。

最珍貴的科學實驗

1月11日，完成兩器互拍，地面接收圖像清晰完好，中外科學載荷工作正常，探測數據有效下傳，且搭載科學實驗項目順利開展，標志著嫦娥四號任務圓滿成功。其中科學實驗項目由“嫦娥”4號、“玉兔”2號和“鵲橋”中繼星——“兩器一星”上配置的6臺國內研制科學載荷和3臺國際科學載荷完成。

“嫦娥”4號任務完成后，我國將在2019年執行探月三期任務，發射“嫦娥”5號采樣返回器，它由上升器、著陸器、軌道器、返回器4個部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。

“嫦娥”4號是我國探月工程四期的第一個任務，此后實施的“嫦娥”6號計劃在月球南極進行采樣返回任務。“嫦娥”7號同樣將在月球南極著陸，計劃對月球進行一次綜合探測。“嫦娥”8號除了繼續進行科學探測試驗以外，還要進行一些關鍵技術的月面試驗，為的是論證一個科幻的問題——“要不要在月球建立一個科研基地或科研站？”

責任編輯：武瑾媛

“嫦娥”4號任務科學目標

一、開展月球背面低頻射電天文觀測與研究。由子受到地球電離層的干擾，在地球上難以開展頻率低于10兆赫的射電天文觀測。月球背面被認為是開展低頻射電天文觀測的絕佳地點，它屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發射，月夜期間還屏蔽強烈的太陽射電輻射。

二、開展月球背面巡視區形貌、礦物組分及月表淺層結構探測與研究。

三、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。