探索月球“新大陆”——嫦娥四号月背着陆一周年回顾

文/ 杨诗瑞

▲ 嫦娥四号着陆器地形地貌相机对玉兔二号巡视器成像

▲ 玉兔二号巡视器全景相机对嫦娥四号着陆器成像

2020年1月3日是嫦娥四号探测器月背软着陆一周年纪念日。2019年1月3日，嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面的预选地区，并通过鹊桥中继星传回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。嫦娥四号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，中国与多个国家和国际组织开展了具有重大意义的国际合作，开启了人类月球探测新篇章。2019年，“嫦娥四号”捷报频传，收获众多举世瞩目的科技成果，成为国际航天界的明星。

2020年1月2日，嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车完成第十三月昼的工作，再次进入月夜休眠，玉兔二号月球车已累计行驶357.695米，打破人类月球车月面工作时间纪录。“嫦娥四号”的成功标志着我国由航天大国不断向航天强国稳步迈进，代表着新时代中国人民攀登世界科技高峰的新标杆新高度，是中华民族为人类探索宇宙奥秘作出的又一卓越贡献。

为什么要探测月球背面——科学意义和任务由来

古人今人若流水，共看明月皆如此。有趣的是，不仅古人今人共看同一轮明月，而且看到的还是明月的同一面——这是因为月球的自转周期与绕地球公转周期一致，所以月球朝向地球的一面始终不变，人类无法直接观测到月球背面的景象。

近60年来，世界各国先后开展过110多次探月活动，成功实施了数十次无人探月和载人登月，获得大量关于月球地形地貌、元素分布、重力场、磁场等科学信息。但是，对月球背面的探测成果非常有限，前苏联和美国曾利用绕月探测器进行月背地形观测和影像绘制，然而还没有探测器能够在月球背面着陆，月背探测犹如隔着一层面纱，始终未能深入。

▲ 嫦娥四号着陆区地理实体命名影像图

月球背面探测具有重要的科学价值，让科学界孜孜以求。一方面，月背地质情况与月面不同，研究月背地质演化历史对理解月球形成、地月系初期历史和月球深层次构造具有重要意义。月球背面分布有大量高地地形，遍布撞击坑和环形山。著名的南极-艾特肯盆地位于月背南部，是太阳系规模最大、最古老的撞击盆地，它成型于39.2亿年前，最深处达13千米，代表其经历的撞击事件可能挖出月壳深处甚至月幔的物质，是研究月球演变历史和深部物质组成的钥匙与窗口。

另一方面，从月背开展电磁波天文观测可以获得人类从未接触过的信息，将揭露丰富的科学内容。长期以来，科学家们主要通过电磁波开展天文观测，进而认识宇宙。人类已开展过紫外、射电、X射线、红外及毫米波等绝大多数谱段的观测，但由于电离层阻挡和地球射电干扰，未能有效实施低频射电天文观测。低频观测对于全天空成像、宇宙黑暗时期特征、太阳物理和空间天气等具有重要的研究价值。月球背面避开了地球表面的电磁干扰，成为非常理想的宇宙低频射电观测场所，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。

为什么没有国家登陆月球背面？因为难度很大。为什么“嫦娥四号”一定要挑战月背着陆？因为还没有人去过，为了探索未知，“没有人去过”就是挑战的理由。

探月工程十年磨剑，“嫦娥一号”绘制形成全月地形影像图和三维立体图，探测清楚月球外围空间环境以及月表岩石的成分、类型和分布；“嫦娥二号”完成7米分辨率的全月球数字影像图和三维立体图，探访日地拉格朗日点；“嫦娥三号”成功实施月球着陆，开辟我国月球“巡天、观地、测月”的历史。在一次次探月任务的积累和前行中，经过一轮轮漫长而艰苦的反复论证和严谨试验，“嫦娥四号”瞄准登陆月背，跨出人类新的一步。

怎样探测月球背面——克服工程难题

探月的每一步迈出，都需要攻克无数的科学技术难题。通信、着陆区选择、登月时机、轨道控制和着陆技术都是“嫦娥四号”面临的重大挑战。

通信是首要问题。月背始终背朝地球，探测器受月球球体阻隔，无法与地球直接通信，所以月球背面一直没有留下人类探测器的“脚印”。对此，我国发射鹊桥中继卫星，并克服运行轨道、通信链路设计、传输时延等一系列挑战，打造地月通信桥梁。“鹊桥”运行在绕地月L2点的Halo轨道，位于距地40多万公里、距月6.5万公里的地月延长线上，地月两大天体的引力和离心力在此达成巧妙平衡，“鹊桥”仅用少量燃料即可保持平稳，并同时“看见”月背与地球。这一轨道构想曾由美国在1967年提出，但由于高风险和高技术复杂度从未实现。“鹊桥”勇敢选择并成功进入使命轨道，成为人类首颗月球通信中继卫星。

月球背面山峰林立，地形崎岖，在哪个位置更容易实施软着陆并有良好的科学效益？“嫦娥四号”团队综合考察了科学探测价值、中继通信可见性、热环境和光照环境、着陆过程航迹高程起伏变化、着陆点散布范围、探测器测控、轨道可达性、着陆时太阳高度角和推迟着陆的适应能力等因素，最终将月背着陆区定于南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑。

▲ 第九月昼期间，“玉兔二号”在月球背面的撞击坑中发现了不明胶状物质

“嫦娥四号”要跨越漫长的地月距离，切换多个轨道，并于月背白天实施软着陆，这需要在整个飞行过程中计算和保持与日、地、月的相对关系。其中，奔月轨道要调整近月点位置和飞行时间，让“嫦娥四号”的环月轨道经过着月点上空，并在月背的白天抵达着月点上空；奔月飞行中，“嫦娥四号”太阳帆板与阳光入射方向保持一定范围的夹角，以保障能量供应；奔月和登月过程中，要保持地面对“嫦娥四号”的通信连接，在通信延迟的干扰下预先开展精准测控。为满足多种约束条件，科研人员计算出分布在2天里的4个共计6分钟的发射时间窗口，这对运载火箭的适应能力提出严峻挑战，要能够满足在两天里迅速切换不同发射时间窗口，适应任务需求，要提高火箭主要分系统和重要单机的可靠性，确保在短至1～2分钟内的窗口内准时发射。

月背着陆是终极挑战。南极-艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂，航迹地形起伏剧烈，高度变化速度超过史上任何一次着陆，月背着陆如同风暴洋里冲浪。“嫦娥四号”需要翻越崇山峻岭抵达着陆区，克服地形起伏带来的导航误差。对此，“嫦娥四号”团队优化轨道设计和控制，使探测器进入着陆区域；精细化发动机推力的在轨标定，优化了整个探测器动力下降和着陆过程的策略，设计了光学避障、激光三维成像避障、两轮避障等接力避障方式，保证最终精确着陆。在最终降落阶段，“嫦娥四号”先降后升，而后进入长距离垂直下降过程，其间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程，经历一系列复杂的“走位”，实现“定点、定时、精确”的着陆。

让构想照进现实——“嫦娥四号”任务一览

克服重重困难，突破各类问题，“嫦娥四号”一步一步从构想走向现实。

2018年5月21日，鹊桥中继星发射升空，首先进入预定地月转移轨道，经过四天飞行和近月制动，顺利进入月球至地月L2点的转移轨道，并借力飞往地月L2点，再经过3次轨道捕获和修正控制，进入Halo使命轨道，成为人类历史首个造访这一空间的航天器，为“嫦娥四号”搭建起地月通信“生命线”。

12月8日，“嫦娥四号”发射升空，进入地月转移轨道，经过中途轨道修正和5天旅程，通过近月制动成功进入圆形月球轨道，在完成与鹊桥星的两次通信测试后再次变轨进入落月椭圆轨道。2019年1月3日，“嫦娥四号”先后完成主减速段、调姿下降段、悬停段、缓速下降段、缓冲着陆段等过程，稳稳地着陆在预定区域里，完成人类首次月球背面软着陆的壮举。

着陆月面后,在鹊桥星的支持下,玉兔二号巡视器离开着陆器，踏上月球表面，着陆器上的监视相机拍下了“玉兔二号”在月背的第一道痕迹影像图，并把世界第一张近距离月背图传回地面。1月4日—11日，在首个月昼工作期内，嫦娥四号着陆器有效载荷开机，开始探测工作，完成对着陆点周围地形环拍；“玉兔二号”顺利完成中继星链路连接，有效载荷开机、科学实验项目顺利开展，传输探测数据，并与着陆器完成互拍任务。至此，嫦娥四号任务圆满成功，中国探月工程取得“五战五捷”。

1月29日和30日，“玉兔二号”和嫦娥四号着陆器先后完成自主唤醒，安全度过首个月夜。着陆器的月夜温度采集器成功监测到第一月夜温度变化情况，在最低-190℃的长时间极低温环境中，着陆器和巡视器经受住考验，关键设备按预定程序通电开机，通过鹊桥中继星向地面的通讯和数据传输状态稳定，按计划继续开展第二月昼的科学探测。

之后，“嫦娥四号”连续历经月昼月夜考验，开展一系列科学实验，不断取得新的成果。12月20日，“嫦娥四号”成功自主唤醒，进入第十三月昼，悄然打破苏联“月球车一号”保持了49年的世界纪录，成为人类在月面工作时间最长的月球车。嫦娥四号着陆器上月球中子及辐射剂量探测仪、低频射电谱仪按计划开机工作，开展既定的科学探测。玉兔二号月球车在巡视期间对多个探测点进行科学探测工作，搭载的红外光谱仪对一枚月表石块进行了成像和红外探测，全景相机、中性原子探测仪、测月雷达获得了大量科学探测数据。

截至本刊截稿日，嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”已完成第十三月昼的工作，按照地面指令进入月夜休眠。“嫦娥四号”一直保持着饱满的工作状态，在地面团队的指挥操作下持续开展低频射电天文观测、月壳分层结构探测、月表环境探测等活动，不断丰富人类对月球的认识，实现更多“中国壮举”，取得更多的科学成就。

嫦娥探月工程是我国最具标志性大型科学研究项目之一，从“嫦娥一号”到“嫦娥四号”，中国登月探索的脚步从未停止，嫦娥四号任务更是为中国航天迈出了突破性的一步。“嫦娥四号”的圆满成功全面拉开我国探月工程四期和深空探测工程的序幕。2020年，“嫦娥五号”将实现首次月球采样返回，首颗火星探测器将进行火星环绕、着陆和巡视探测。与此同时，探月工程后续任务正在论证中。未来，我国将继续开展月球地形地貌、物质成份、空间环境的综合探测，论证建立月球科研基地并验证相关技术。

▲ 嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器完成第十三月昼工作，进入月夜休眠