嫦娥四号月背软着陆的重大意义

欧阳自远

在人类的历史上，全球各国已进行过100多次探月活动，人类和无人探测器已经成功着陆过月球数十次。月球有丰富的能源，利用月球巨大的太阳能发电和核聚变发电，能为人类社会的持续发展提供重要支撑，因此世界各国都在积极推进探月工程。然而，从地球上看月球，看到的永远是朝向地球的半个月球，这是因为月球自转的周期与它绕地球公转的周期是一样的，因此月球始终只有相同的一面朝向地球，这导致我们地球上的人永远只能看到月球的正面，天文学上称之为“潮汐锁定”。数十年来，通过对月球正面的探测，人类基本掌握了月球正面演化的历史，但是，月球背面记录着月球更古老的历史。人类利用绕月探测轨道器也对月球背面开展过地形地貌绘制以及观测，如1959年苏联月球3号首次编制出第一幅月球背面影像图，1968年美国阿波罗8号第一次实施了载人环月飞行，观测月球背面的地形地貌。但是，在此次嫦娥四号造访前，从来没有人类探测器在月球背面进行过软着陆，月球背面是着陆探测史上的空白。

人类跨出了新的一步

对于人类而言，月球背面仍犹如一个秘境，有许多未知等待探测。一方面，月球背面的地质情况与正面有所不同，研究探索月球背面的地质演化历史，对理解月球的形成和长达45亿年的历史具有重要的意义。另一方面，来自宇宙空间的电磁波只能被地球接收到一部分，而地球的电离层又对低频辐射电磁波产生严重干扰，低频辐射电磁波难以在地球表面和月球正面被人类接收到。因此，科学家们一直希望找到一个地方去研究来自宇宙空间的低频电磁信号，而月球背面正是接收低频辐射的一个完美的场所。只有到月球背面去，才能够获得这些人类从未得到过的信息，而这些信息将蕴藏丰富的科学内容。

在世界各国积极推进的探月工程中，中国的嫦娥四号在月球背面的首次软着陆无疑代表着人类跨出了新的一步。2018年12月8日，嫦娥四号在西昌卫星发射中心发射成功，不久后就成功进入地月转移轨道，开始向月球飞行的旅程。2019年1月3日，经过20多天的太空飞行，嫦娥四号在月球背面的预选着陆区——南极-艾肯盆地内的冯·卡门撞击坑——成功着陆，成为世界第一个在月球背面软着陆的探测器。探测器包括着陆器和月球车，着陆器开展原位探测，玉兔二号月球车开展巡视探测，两者将开展联合探测。

技术难题

嫦娥四号的首次月背着陆对我国轨道控制、着陆和通信技术提出了巨大挑战。事实上，探月的每一步迈出，都需要攻克无数的科学技术难题。嫦娥四号的成功着陆显然也是基于幕后不为人知的反复论证和严谨试验以及前面数次探月的实践。

要实现月球背面着陆，首先要解决的问题就是通信上的障碍，即要与地球地面建立联系。由于潮汐锁定，月球背面的探测器无法和地球直接通信。为此，2018年5月，我国先把“鹊桥”月球中继卫星送入地月拉格朗日L2晕轨道，作为接下来嫦娥四号与地球进行通信的桥梁。这也是人类首颗月球通信中继卫星。

其次，需要找准合适的登月时机与角度。合适的时机指的是月球背面的昼夜时间。地球有昼夜之分，月球的正面和背面也有昼夜之分。嫦娥四号发射时，人们看到的月亮是个新月，即月球的正面刚天亮，而其背面则是寒冷的黑夜，不能实施软着陆，需要等到月球背面是白天才能实施背面着陆。科研人员通过计算，计算出在2018年12月30日太阳将再次照射到预定落区，而此时嫦娥四号还需调整角度，等到真正着陆的时候，应该是2019年的1月初，这一估算与嫦娥四号实际着陆的时间相吻合。

第三，要找准着落的地点和环境。嫦娥三号的着陆区是月球正面的彩虹湾，那里地势较为开阔、平坦，位于大型撞击坑、月海、高地交汇地区，有利于勘察目标的选择，也有利于与地球的通信。相较于嫦娥三号，嫦娥四号的着落环境更为复杂，因为月球背面山峰林立，大坑套小坑，很难找出大一些、平坦一些的地方供嫦娥四号安身。嫦娥四号在凸凹不平的地方软着陆，需要更准确的着陆精度。这次选择南极-艾肯盆地（一个月球背面南半球的直径达2 480千米，深度为12.8千米的巨型撞击盆地）的原因有几个：首先是大，它是太阳系中目前已知的最大的撞击盆地，可以帮助我们了解太阳系中的超大型撞击事件的过程；其次是深，盆地深达约13千米，是月球上最深的撞击盆地，这意味着当年的撞击事件很可能挖出了月壳深处甚至月幔的物质，这些会是研究月球内部成分的钥匙；然后是古老，它形成于月球的前酒海纪（39.2亿年前），是月球上最古老的大型撞击盆地，盆地内部最古老的岩石被裸露，可以直接探测它们的成分、形成年龄和环境，想要建立月球45亿年的漫长历史，南极-艾肯盆地是一个至关重要的环节。

主要任务

嫦娥四号此次登陆月球背面的主要科学任务之一是开展月球背面低频射电天文观测与研究。着陆器安装了低频射电频谱仪，专门接收来自星系空间和太阳系空间的低频和甚低频辐射，填补0.1～40 兆赫范围内的射电观测空白，还能与鹊桥中继星上携带的我国与荷兰合作研发的低频射电探测仪协同观测，互为验证和补充。经过分析研究，获取星系空间和太阳系空间的一些重大事件和过程的科学信息，我们期待有新的发现。

嫦娥四号登陆月球背面的主要科学任务之二是开展月球古老岩石的成分、类型和分布特征研究，进一步充实月球的演化历史。60年的月球探测历史，使我们对月球正面演化历史的认识比较清晰，包括地质构造运动、岩浆活动历史、小天体撞击历史与过程、月球内部的结构和全球偶极磁场的消失等。但是对月球背面的地质演化历史，特别是40亿年以前的古老历史仍然证据不足，期望通过月球背面的探测，构筑月球演化的整体历史，并对比月球正面与背面演化历史的差异。月球车安装的红外线成像光谱仪探测巡视路径中的各类古老岩石的矿物成分和类型，测月雷达探测巡视路径中的浅层结构。

嫦娥四号登陆月球背面的主要科学任务之三是探测月球背面及近月空间环境。着陆器上安装有月表中子及辐射剂量探测器，月球车上安装有中性原子探测仪，探测月球表面和近月空间的中子、中性原子和辐射剂量等环境参数。

对于月球背面的地形地貌特征研究，着陆器上安装的地形地貌相机和月球车上安装的全景相机能记录拍摄月球背面着陆区与巡视区的地形地貌、撞击坑大小与分布，因此规划月球车的巡视探测路径有重要意义。

我国的探月工程

为了更好理解嫦娥四号月背软着陆的科学意义，有必要简要回顾一下我国探月工程的进展脉络。我国的无人探月工程分“绕、落、回”三期，“绕”是指环绕月球进行不接触月表探察，“落”是指着月探测，“回”是指在月球表面着陆，并采样返回。

2007年，嫦娥一号绕月飞行，绘制了几百张特殊的月面图，最后形成一张全月地形影像图，并做了月面的三维立体图，这是全世界最好的立体图。此外，嫦娥一号将月球外围的近月空间环境以及月表各种岩石的成分、类型和分布都探测得很清楚。月球上有一种资源，被称为人类未来的终极能源——核聚变发电的原料氦-3。这种资源地球上几乎没有，而月球的土壤里极其丰富。据我们探测，月球上的氦-3大约是120万吨。在核聚变发电得以实现时，全世界一年的能源需求大约需要氦-3的用量为100吨，月球的氦-3至少可以解决全人类未来数千年的能源需求，这是人类的财富。

嫦娥四号着陆器与月球车

嫦娥五号模拟图

2010年发射的嫦娥二号飞行高度是距离月面100千米，照相机的分辨率可以达到7米，可以看清楚撞击坑的壁和底。它完成了一幅7米分辨率的全月球数字影像图和三维立体图，这个数字影像图在空间分辨率、影像质量、数据一致性和完整性、镶嵌精度等方面优于国际同类全月球数字产品，是目前最高水平的全月球数字影像图。嫦娥二号在全月球的岩石成分、类型、分布以及近月空间环境的探测等方面取得了系统性和前所未有的重大成果。后来，嫦娥二号又飞到离地球150万千米以外的太阳-地球引力动态平衡的拉格朗日L2点，监测太阳活动与太阳爆发235天，得到了世界上有关太阳活动与爆发的最多的系统数据。继而嫦娥二号飞离地球702万千米，2012年12月1日首次与图塔蒂斯小行星交会（交会间距870米，相对速度 10.73千米/秒，最高分辨率 10米），探测小行星的形状、大小和结构等（首次探明小行星的大小为 4.46 千米×2.4千米） 。当前，嫦娥二号已经成为一个人造小天体，围绕太阳运行，离开地球4亿多千米。2029年，嫦娥二号还将回归地球附近。

2013年发射的嫦娥三号刚好降落在月球雨海的彩虹湾里。在月球上着陆，由于月球表面是真空的，用降落伞毫无意义。探测器着陆下降时会受到月心引力的加速度作用越掉越快，最后将撞击月面摔得粉碎。为此，嫦娥三号着陆器底部安装了发动机，一边往下掉的同时发动机在往上推，让它慢慢掉下来，掉到距月面100米的高度悬停移动，拍摄了3 764张着陆区照片。着陆器上配置的高智能计算机立即分析判断，寻找安全的着陆位置。嫦娥三号开辟了中国在月球上“巡天、观地、测月”的历史。着陆器上配置了近紫外光学望远镜，是人类首次在月球上进行天文观测，发现了很多天文事件的新证据；着陆器上配置的远紫外照相机，实现了人类第一次在月球上观测地球和地球等离子体层的变化：在距离地球最近的天体上看到地球在慢慢转，24小时转一圈，看到它外面所有的结构，等离子体层一层一层地变化，我们就能知道地球将发生什么环境变化；在月球车的底部安装了一台雷达，是人类第一次用雷达探测月球车所经历的路线下的次表层结构。

我国“绕、落、回”探月工程的第一阶段马上就要完成了，最后一颗嫦娥五号预计将于2019年在海南岛文昌发射，并着陆在月球上的一个新位置，这个位置有很多新的科学问题，人类从不知道那一带的情况。嫦娥五号将实现月球物质自动取样返回。预计采集2千克到3千克的样品，供全国的科学家进行研究。

从嫦娥一号到嫦娥五号，我们既可以去月球，也可以安全着陆月面，还可以安全返回地球。我们有能力将中国的航天员送上月球，实施载人登月，完成科学考察任务之后，安全返回地球。将来我们还希望在月面建立固定的月球科学探测基地。

下一步的深空探测计划

2020年，我们将会开始火星的探测。为什么是2020年呢？我们知道地球绕太阳转一圈365天，火星绕太阳转一圈687天，有时候地球在太阳的一边，而火星在太阳的另一边，我们无法过去，所以一定要在恰好的位置才能发射探测器到火星，探测器飞行7个月左右到火星。每26个月才有一次机会，所以我们一定要把握好2020年这个窗口期。

事实上，地球有很多潜在的自然威胁，如小天体撞击地球、人类自己的错误行为等诱发气候、生态和环境灾变以及生物物种灭绝事件等。如果地球不能居住了，我们一定要给人类准备第二个栖息地，最好的选择就是改造火星。

因此我们想知道，火星上有没有生命，火星的环境是怎么样的，需要如何去改造火星，让它变成第二个地球。也许人类通过几个世纪的卓绝努力，能将这颗贫瘠的行星改造成一个拥有蔚蓝天空、绿色平原和蓝色湖泊的生态环境友好的、生机盎然的新世界，地球-火星将成为人类社会持续发展的姐妹共同体。而到目前为止，人类还没有从火星上取回一克样品，我们中国将争取带头着陆火星并把样品带回地球。2020年我们将发射一个卫星，绕火星飞行并进行遥感探测；进一步通过这颗卫星向火星释放火星车，在火星表面开展巡视探寻；两者结合开展火星天地联合探测，更多地了解火星的情况。

太阳系有八大行星，我们现在可以到火星了，今后我们还要去木星，我们要飞到尽可能多的太阳系的行星上，开展行星际穿越探测。我们想知道太阳系是怎么起源的，如何规避天体对地球的威胁，行星上的资源是否能为人类社会的持续发展做贡献，等等。火星着陆巡视和取样返回、小行星探测、木星及其他行星之间的穿越和木星卫星的探测，这些都是我们列入计划、希望要开展的探测。

空间时代的到来，是我们人类必然会迈向的一个康庄大道，也是科技发展的又一个重要的未知领域。比之于几十年前的两手空空、有心无力，今天的中国，已经向深空探测迈出了实实在在的一大步。今后中国一定会飞得更远，向探测整个太阳系进发！