赴西昌看发射 解密“嫦娥四号”7-97任务探月之旅

●临沧市第一中学 郑德杨

很荣幸于2018年12月7日当晚，乘车前往位于大凉山腹地的西昌卫星发射中心，随航天专家近距离感受航天魅力与风采，有机会更深入了解“嫦娥四号”，并于12月8日凌晨0:23见证了人类历史上首个在月球背面着陆的航天器“嫦娥四号”卫星探测器的发射。途中还与随行的临沧市第一中学科创中心学生——李欣悦，中国空间站入围项目设计者段玮共同参观了奔月楼。

现场“看”“测”奔月路

根据现场借助我国北斗卫星，综合技术处理获得的发射场卫星图像以及相关参数，西昌发射中心面积136091.5平方米，周长1598米。

从现场发射来看，2:23:36发动机点火，2:23:41火箭飞离2号工位塔架最高度，火箭并没有垂直飞行太长时间，且有偏移。“嫦娥四号”发射升空之后，首先往西偏北约33°方向飞行，西向飞行约2.6千米之后，貌似发动机熄火片刻，往东飞行，随后一直自西向东。02:25:40火箭仍然在肉眼可见视线范围内。

在“嫦娥一号”任务中，无论是在地球附近还是在月球附近，都要经过多次轨道调整的过程。到“嫦娥二号”时，飞船测控和动力控制技术的提高使得“嫦娥二号”在发射后由运载火箭直接送入了地月转移轨道，无需在地球附近进行三次轨道调整。这次，长征三号乙运载火箭带着“嫦娥四号”走的是直飞月球的航线，这是使探测器省时省力的一条捷径，也是国际上奔月的主流方式。经过1000多秒的飞行，火箭把探测器送到地月转移轨道入口，而剩下的路就要靠探测器自己走了。

“嫦娥四号”的由来及任务

2014年，“嫦娥三号”任务圆满完成后，国防科工局牵头组织开展了“嫦娥四号”任务实施方案调整的论证工作。综合考虑国际前沿、科学价值、经济和技术可行性等因素，最终确定了月球背面软着陆和巡视探测的总体方案。2016年1月经国务院批准正式实施，包括一枚着陆器和巡视器（月球车）的组合体，以及一枚为着陆器/月球车与地球提供通讯的中继卫星“鹊桥”号。

“嫦娥4号”着陆器（左）和月球车（右）模型图

“鹊桥”工作示意图

“嫦娥四号”任务的工程目标：一是研制发射月球中继通信卫星，实现国际首次地月拉格朗日L2点的测控及中继通信；二是研制发射月球着陆器和巡视器，实现国际首次月球背面软着陆和巡视探测。“嫦娥四号”的科学任务主要是开展月球背面低频射电天文观测与研究；开展月球背面巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构探测与研究；试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。

为何选择西昌发射场？

中国目前有4大发射场，即：酒泉卫星发射中心，神舟飞船从这里起飞，始建于1958年10月，位于甘肃省酒泉市及阿拉善盟两市盟方圆2800平方千米范围内，是我国最早建设的卫星发射中心；太原卫星发射中心，发射极轨道卫星主要基地，始建于1967年，位于山西省太原市西北的高原地区，地处温带，海拔1500米左右；西昌卫星发射中心，地球同步轨道卫星发射任务的航天发射基地，始建于1970年，位于四川省凉山彝族自治州境内，中心总部设在四川省西昌市；文昌卫星发射中心，始建于2014年10月，占地12.354平方千米，位于海南省文昌市龙楼镇境内，是中国首个滨海发射基地，也是世界上为数不多的低纬度发射场之一。

自古便有“清风雅雨建昌月”之说，“建昌”，今四川西昌，这里的月景特别有名。这座因月景而闻名的“月城”现在已经成为了名副其实的探月港。

从理论上讲，发射场离赤道越近，所处纬度越低，火箭的发射就能更充分地利用地球自转的离心力。这样，在进行同样的发射任务时，低纬度的发射场发射的火箭就可以使用更少的推进剂，同时搭载更多的有效载荷。

西昌卫星发射中心相较于酒泉卫星发射中心和太原卫星发射中心最大的优势就是纬度低。在这样的地理条件下发射地球同步轨道卫星，能够节省推进剂进而节省发射成本，因而更具优势。例如：每1.57°就可以节省1%推进剂，相差23.5°，就可以节省15%的推进剂，差距十分明显。

此外，西昌卫星发射中心还有一个比较大的优势就是气象条件好。西昌历来就有小春城之称，这里年平均气温18℃，日照多达320天，几乎没有雾天，所在地地质结构坚实，通讯环境也比较理想，所以嫦娥系列卫星选择在这里发射也就不足为奇了。

为何于2018年12月8日凌晨发射？

“……6、5、4、3、2、1，点火！”伴随着巨大的火箭轰鸣，肩负着亿万中华儿女的探月飞天梦想，2018年12月8日凌晨2时23分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射“嫦娥四号”探测器，开启了月球探测的新旅程。

“嫦娥四号”探测器发射日期只有12月8日、9日两天，如果错过，就需要等到2019年甚至更往后，而且每天只有两个发射窗口，第一个发射窗口有效宽度2分钟，第二个发射窗口宽度仅1分钟。发射窗口指运载火箭发射比较合适的时间范围，是根据航天器本身的要求及外部多种限制条件，经综合分析计算后确定的。时间范围的大小也叫发射窗口的宽度。窗口宽度有宽有窄，宽的以小时甚至以天计算，窄的只有几十秒，甚至为零。为了确保火箭准时发射，研制团队一方面采用适应多窗口、窄窗口约束的轨道设计技术，另一方面对火箭主要分系统和重要单机采取可靠性设计和冗余改进，确保满足窄窗口发射约束。因此，选择在凌晨发射，是受发射窗口限制，这是由于它们要在月球着陆，与月球交会的时间和落月的时间都受到约束。

选择“嫦娥四号”发射窗口时，需要考虑很多约束条件，使得探测器与日、地（包括地面点和近地轨道）、月（包括着月点）的相对关系满足月背着陆需求。例如，奔月轨道需要调整近月点经度和飞行时间，让环月轨道临近着月点上空，为着陆器登月创造条件。在探测器奔月飞行过程中，要考虑太阳能帆板的受晒问题，要求太阳光入射方向与太阳帆板之间的夹角保持在一定范围内。此外，在飞行和着陆过程中，还要考虑探测器的连续测控问题。诸多约束条件的作用并不相同，有些决定发射月窗口，有些决定发射日窗口，还有一些约束可能形成对立关系。发射窗口就是在这些约束作用下，形成发射机会的交集。“嫦娥四号”要在月背着陆，各种约束关系特别复杂，因此发射窗口只有几分钟。

中继星“鹊桥”

“鹊桥”提供中继通信服务，为地球和月球搭建一条跨越40多万千米的通信“桥梁”。

2018年5月21日5点28分，在我国西昌卫星发射中心，“嫦娥四号”中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙遥二十七运载火箭升空，送入预定近地点约200千米、远地点约40万千米的地月转移轨道。由于长征四号丙火箭发射精度较好，“鹊桥”中继星精确入轨，原计划在近月制动前实施的3次轨道中途修正，根据判据准则，最终仅经过1次中途修正，于5月25日到达近月点并于21时46分成功实施近月制动后，顺利进入月球至地月L2点的转移轨道。

2018年6月14日11时06分，探月工程“嫦娥四号”任务“鹊桥”中继星成功实施轨道捕获控制，进入环绕距月球约6.5万千米的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道，成为世界首颗运行在地月L2点Halo轨道的卫星。

近月制动是“鹊桥”中继星飞行过程中一次关键的轨道控制。中继星飞临月球附近时，其相对速度高于月球逃逸速度，有效减速制动对卫星进入预定转移轨道至关重要。

地月拉格朗日2点（简称“地月L2点”），距离地球40多万千米，是5个地月拉格朗日点之一。地球和月球两大天体在太空中运动，其万有引力与离心力在这5个点处得以平衡。倘若这5个点处存在第三个天体，且这个天体的质量相对于地球和月球无限小——譬如中继星，那么它就可以和地月保持相对静止状态，受地月引力作用可以保持相对稳定状态，从而节省卫星燃料。

在5个地月引力平衡点中，L2点位于地球、月球两个大天体的连线上，且在较小的天体（即月球）一侧，又正好面向月球背面。“嫦娥四号”要在月球背面靠近南极的艾特肯盆地执行任务，所以选择L2点。如果中继星“守”在地月L2点，受月球遮挡，就“看不见”地球了。所以，设计师为其设计了Z向振幅约1.3万千米绕地月L2点的Halo轨道。“鹊桥”架设在这一轨道上，既能“看见”地球，又能“看见”月球，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换。

地月L2点位于地月连线的延长线上，该点轨道包括李萨茹轨道和Halo轨道，综合考虑中继星与“嫦娥四号”着陆器、巡视器的距离稳定性、覆盖率、轨道进入和维持、月球遮挡影响等因素，科研人员经反复研究，最终确定将Halo轨道作为“鹊桥”中继星使命轨道。

Halo轨道中文称为“晕轨道”（“晕”字借自日晕、月晕），轨道形状不同于地球卫星的椭圆轨道，而是三维非规则曲线，轨道控制非常复杂。“鹊桥”中继星在Halo轨道做拟周期运动，通过定期轨控保持轨道的稳定性，实现对“嫦娥四号”着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

成功着陆月球背面过程

2019年1月3日10时26分，经过26天的飞行，“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6°、南纬45.5°附近的预选着陆区，成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱。此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信，开启了月球探测新篇章。

10时15分，科技人员在北京航天飞行控制中心，向“嫦娥四号”探测器发出指令。随后，“嫦娥四号”探测器从距离月面15千米处开始实施动力下降，7500N变推力发动机开机，逐步将探测器的速度从相对月球1.7千米每秒降到零；在6-8千米处，探测器进行快速姿态调整，不断接近月球；从距月面100米处开始悬停，对障碍物和坡度进行识别，并自主避障；选定相对平坦的区域后，开始缓速垂直下降。约690秒后，“嫦娥四号”探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内。落月过程中，降落相机拍摄了多张着陆区域影像图。

“嫦娥四号”探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像

“嫦娥四号”探测器月球背面软着陆后降落相机拍摄的图像

为何26天才落月？

其实早就到了，只是在等天亮。实际上，“嫦娥四号”早在2018年12月12日就已经来到了月球附近，完成近月制动并成功进入绕月轨道，但那一天是农历的初六，月球背面刚好处于夜间。因此，“嫦娥四号”要在绕月轨道上等待一段时间，直到月球的背面天亮后，再择机实施着陆。地球上的一天和一年分别是地球自转和公转一圈的时间。在一天中，将迎来太阳的东升西落和黑夜与白天的交替。而在月球上的某一位置，完成一次同样的过程却需要27.3个地球天，也即655小时的时间，与月球绕地球公转的周期完全相同。

实际上，在月球形成的早期，月球的自转速度比现在快，月球上“一天”的时间也比现在短。然而，月球在公转过程中，受到地球的万有引力并不均匀。靠近地球的一侧，万有引力大于公转的离心力，处于这侧的岩石被拉伸，向靠近地球的方向隆起。在远离地球的一侧，受力情况相反，岩石向远离地球的方向隆起。当月球的公转速度和自传速度不同时，由潮汐力引起的隆起位置会不断改变，但隆起位置的改变始终跟不上地球与月球中心连线方向的变化。在这个过程中，潮汐力将改变月球的自转速度，最终使得月球的自传和公转周期相同，潮汐力引起的隆起始终处于地月中心的连线上。这种现象被称为“潮汐锁定”。

在潮汐锁定的作用下，月球朝向地球的部分是固定的，也就是我们能够从地球上看到的那一面。随着月球的自转，月球表面被照亮的部分会逐渐发生改变。农历每月十五，月球面对地球的一面（月球正面）被太阳照亮，此时那里是白天，地球上的我们所看到的则是明亮的满月。而每月初一，月球上背对地球的一面（月球背面）被照亮，朝向地球的一面则变得黑暗，我们也就看不到月亮了。十五前后，月球正面被照亮的区域多，而初一前后，月球背面被照亮的区域多。

为何选择月背？

冯·卡门撞击坑的直径只有186千米——这意味着“嫦娥四号”必须落得非常准。一旦偏了一点，就可能落不进平坦的区域，而是撞上崎岖的高山低谷了。“嫦娥四号”的主着陆区南极附近的冯·卡门撞击坑，着陆区面积比嫦娥三号月球正面的着陆区虹湾地区小了许多，而且月球背面山峰林立，大坑套小坑，不能像嫦娥三号那样以弧形轨迹缓慢着陆，受月球背面环境影响，只能采取近乎垂直的着陆方式，这也加大了精准着陆的风险。月球的背面崎岖坎坷，鲜有大片平坦的地方。既然难度之大，为何还义无反顾选择了月背呢？

“嫦娥四号”本次选择探访南极-艾特肯盆地，不仅仅是因为月之背面还没有着陆任务去过，还因为南极-艾特肯盆地本身就有重要的、不可替代的科学价值。科学家认为，月球背面更为古老，冯·卡门撞击坑的物质成分和地质年代具有代表性，对研究月球和太阳系的早期历史具有重要价值。月球背面也是一片难得的宁静之地，屏蔽了来自地球的无线电信号干扰，在此开展低频射电天文观测可以填补射电天文领域在低频观测段的空白，为研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能，也将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。中国国家航天局愿以此为基础，与世界各国航天机构、空间科学研究机构及国外空间科学爱好者，开展合作，共同探寻宇宙奥秘。

冯·卡门撞击坑的位置和周围的几个撞击坑，黄色为本次“嫦娥四号”的着陆点，浅蓝色区域为月海玄武岩填充区域，这些区域非常平坦。

南极-艾特肯盆地，（简称SPA）中的冯·卡门撞击坑。这个撞击坑是以航天工程学家、NASA喷气动力实验室（JPL）的创始人之一冯·卡门的名字命名的，他也是“中国航天之父”钱学森先生的博士导师。直径约2400千米、形成于月球前酒海纪（39.2亿年前）的南极-艾特肯盆地深达12千米，是太阳系中目前已知最大的撞击盆地之一，也是月球上最深、最古老的大型撞击盆地。这里的起伏可以高达7千米，而且波动明显。

搭载的6种生物

随“嫦娥四号”登陆月球背面的生物科普试验载荷中，搭载的棉花、油菜、土豆、拟南芥与同时搭载的酵母和果蝇构成一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统。截止2019年1月17日，已经有四颗种子萌发，一颗棉花种子在注水三天后萌发，目前长势良好，茎秆粗壮，另外三颗油菜种子在注水七天后萌发，目前已经能看到绿油油的叶子长出来。棉花种子首先成功发芽，这是因为月球表面载荷罐持续了几天的高温，在35度以上的高温下棉花是非常开心的，棉花就是一种喜高温的植物，在高温下种子萌发速度更快。

搭载的科普试验生物，最终将在全封闭状态的生物科普试验载荷罐中慢慢分解，不会对月球环境造成影响。

“嫦娥五号”将在哪里发射？

作为我国四大卫星发射中心之一的西昌卫星发射中心，嫦娥一号、二号、三号、四号都是从这里开启飞天之旅的，备受瞩目的“嫦娥五号”恐怕就不能在这里起航了。出于历史原因以及隐蔽性和安全性的考虑，西昌卫星发射中心建在了大凉山。这就给火箭运输造成了麻烦。火箭运输只能靠铁路，运输时需要穿越许多隧道，因此火箭组件的最大直径不能超过3.5米。

计划于2019年底承担发射“嫦娥五号”任务的长征五号运载火箭的最大直径超过了5米，因而无法选择铁路运输。所以“嫦娥五号”就不能选在西昌发射了。且文昌维度（北纬19°）比西昌（北纬28°）更低，距离赤道最近，发射方向1000千米范围内是茫茫大海，坠落的残骸不易造成意外，是我国的最佳陆上发射场。