探月奇旅圆梦太空“嫦娥”助推中国探月

尹怀勤

2019年，恰逢人类探索月球60周年，同时也是人类实现首次载人登月30周年。几十年前，完成人类一系列载人登月飞行任务的“阿波罗计划”，以美国总统肯尼迪的那句“我们选择去月球，不是因为它很容易，而是因为它很难”为开端，而今天，随着人类一次次探月的成功，月球的神秘面纱终于被一点点揭开。更加值得一提的是，就在2018年年底，中国成功发射了“嫦娥四号”探月器，实现人类首次软着陆月球背面，“嫦娥”圆了“月背之梦”，也让这个以往饱含科幻色彩的“月之暗面”公之于众。探月路漫漫，“嫦娥奔月”的古老神话故事一步步变成现实，这其中承载和积淀的，是一代代中国航天人的辛勤耕耘。

本文将较为完整地介绍中国探月计划，把“嫦娥奔月”那些事给同学们一次说个清楚。

月球到底有何魅力？

月球是人类发射航天器进行探测次数最多的地外天体，也是迄今为止航天员唯一登陆其表面的星球。然而，除了它鲜亮的外表和古代中国“嫦娥奔月”的美丽传说让许多人为之神往，月球到底有何魅力，让一代代科学家为之辛勤探索？

回答这个问题，同学们要先把月球的概况了解清楚。月球作为地球的天然卫星，人们通常将其称为月亮。它没有大气层，不能发光，人们看到的月光仅是月球反射的太阳光。月球与地球的平均距离是38.44万千米，直径约3 678千米，其体积仅为地球体积的2%，质量相当于地球质量的1/81。月面重力约相当于地球重力的1/6（打个比方，如果你的体重在地球上测量为60千克，到月球上则约为10千克）。月球围绕地球自西向东运行1周需要27日7时43分11.545秒。由于月球-绕地球公转和它自转的方向一致、周期相当，故而总是以同一面对着地球，而那个“从不示人”的另一面，便是月球的背面。

别看月球的体积相对地球来说很小，稀有金属的储藏量却比地球多得多。月壤中还含有丰富的氦-3（一种无色、无味、无臭、性质稳定的氦同位素气体），利用氘和氦-3进行的氦聚变可作为核电站的能源。有科学家预言，月球可能成为人类进驻外太空的起点。

中国如何探月？让“嫦娥”告诉你

人类发射航天器探测地外天体便是从月球开始。2004年1月，中国的探月计划经过长期论证正式立项，被称作“嫦娥工程”，具体按照“绕、落、回”三步走的计划进行。

“嫦娥”，是中国当之无愧的“探月大使”。截至2018年年末，我国已经先后顺利完成了“绕”和“落”前两步预定的探测任务。此外，“嫦娥二号”还进行了多项拓展性试验，成为我国飞离地球最远的航天器。

2014年10月，探月工程三期再入返回飞行试验器试验成功，则为“嫦娥五号”返回地球提供了技术支撑。而预计在2019年，我国将发射“嫦娥五号”探测器软着陆月面采样并返回地球，最终完成第三步“回”的探月任务。

说到这，你可能还记得前面提到过，月亮总是以一面对着地球，那些去往月球的探测器也绝大多数着陆于这一面，却鲜有踏足“月球的另一面”。然而，就在2018年12月8日，中国在西昌卫星发射中心成功发射“嫦娥四号”探测器，并成功软着陆月球背面，这是人类首次，也是中国探月工程行进15年来又一崭新的突破。

解开月背之谜，“嫦娥四号”来了

到中国“嫦娥三号”登月时，人类已经在月球正面发射了20个着陆器，然而，背面依然为零。之所以一直探测正面，在正面着陆，却从不去背面，一个重要原因就是，着陆月背的难度大大高于正面。

月之背为何如此神秘

在人类熟知的天体中，除了太阳，月球应该是咱们的“老邻居”了，然而这个“老邻居”却有一个怪习惯，就是永远用一面对着人类，而另一面始终“羞于示人”，这到底是为什么呢？对于这一问题，有关专家指出，潮汐作用是原因之一。

原来，地球和月球之间是相互绕转的，它们彼此都会给对方施加潮汐力。地球上的潮汐现象，便与月球对地球的引力有关。而在月球形成早期，它的自转速度比现在快得多，自转周期只有几个小时，数亿年来，在潮汐力的作用下，月球自转速度不断变慢，直到现在，月球自轉周期和公转周期变得几乎一致——都是近28天，这才使得月球始终以一面对着地球。

人类自然会对它那“神秘的背面”产生好奇，可是却限于科学技术的短板，一直心有余而力不足。要知道，月球背面有着天然的“屏障”，没有任何来自地球的辐射干扰，这也意味着，即使人类将探测器发射成功着陆，也会因为探测器“失联”而束手无策。

架起“鹊桥”连地月

在“嫦娥三号”任务取得圆满成功后，我国最终确定了“嫦娥四号”着陆月球背面的实施方案，由此正式向着陆月球背面这个艰难的任务发起挑战。

由于月球背面永远躲在地球的视线之外，“嫦娥四号”着陆在月背之后如何实现与地球的信号传输就成了一个必须解决的问题。于是，我国科研人员构想向地一月拉格朗日L2点发射一颗卫星，在晕轨道（航天器围绕平动点运动的轨迹，这个平动点在地一月连线的延长线上，轨道半径超过3500千米）上运行，作为空间通讯中继站，此举也是“嫦娥四号”任务能够成功开展的一大关键。

于是，2018年5月21日5时28分，我国在西昌用“长征四号”丙运载火箭成功将探月工程“嫦娥四号”任务“鹊桥”号中继星发射升空。随后，“鹊桥”号中继星成功实施轨道捕获控制，进入环绕距月球约6.5万千米的地一月拉格朗日L2点的晕轨道运行。

“鹊桥”号中继星就像建在地球和月球间的一座信息中转站，专门用来接收和转发两者发出的信号，在地月之间成功“架鹊桥”，让月球背面不再是通信盲区（同学们如果想了解更加详细的内容，可以阅读《科学大众·中学生》2018年9期《解密“嫦娥”：“奔月”也是个“技术活”》一文）。

人类首次实现月球背面软着陆

有了“鹊桥”中继通讯卫星这个利器，只等“嫦娥四号”成功着陆与之互通联系，从而开启我国探测月背之旅。

“……3、2、1，点火！”伴随着巨大的火箭轰鸣，2018年12月8日2时23分，在西昌卫星发射中心“长征三号”乙运载火箭成功发射“嫦娥四号”探测卫星。

相较于“嫦娥三号”，“嫦娥四号”落月难度更大，主要因为月球背面这一特殊环境。有专家形容，“‘嫦娥三号相当于在华北平原着陆，而‘嫦娥四号则是在崇山峻岭的云贵川地区着陆”，落月过程地球方向不直接可见，所有信息传输都需要由中继星“鹊桥”号中转，这无疑增加了风险。于是，研究人员将落月系统（GNC系统）设计了延时数据注入功能，就是提前把要发送给着陆器计算机的数据发送到着陆器上暂存，这个数据包是带有时间标签的，待到着陆器上的时间和该标签相同时，数据便自动注入。如此，“鹊桥”号就成为了备份手段。系统还可以全程自主进行故障诊断与重构，万一发生故障，探测器可以随时给自己“诊断”，找到病灶并解决。通过各部分功能的优化、再组合，着陆器可以确保整体功能正常。到2019年1月3日10时26分，“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区（月球背面南极艾特肯盆地内的冯-卡门撞击坑内），并通过“鹊桥”号中继星传回了第一张近距离拍摄的月球背面照片。

与“嫦娥三号”相比，由于任务的不同，对“嫦娥四号”携带的有效载荷做了一些调整和变动。比如，在能源供给方式上，“嫦娥四号”采取新的能源供给方式——同位素温差发电与热电综合利用技术结合，也就是两面太阳翼收集的太阳能和月球车上的同位素热源两种能源供给。当月夜来临，同位素热源将为仪器设备供热，保证航天器在-180℃的环境中不受低温影响。此外，“玉兔二号”月球车仅140千克，它是目前世界上最小的月球车巡视器。“玉兔二号”基本继承了“玉兔”号的状态，但它可以在昼夜温差达300℃的月夜开展工作，为了避免裸露在外的电缆出现故障，科研人员在电缆摩擦方面进行了上千次实验。针对月球背面复杂的月貌条件、中继通信新的需求和科学目标的实际需要，也做了其他适应性更改和有效载荷配置调整。

利用月球背面屏蔽地球无线电干扰的独特条件，开展空间科学领域最前沿的低频射电天文观测，有望填补国际空白。这就是说，“嫦娥四号”能在月球背面的平静区域开展对太阳和其他天体的科学观测，成为射电天文学和其他相关科学研究的平台。同时月球背面保存着很多古老的月壳岩石，“嫦娥四号”对其开展月貌特征调查，有望在国际上首次建立集月形月貌、浅层结构、物质成分于一体的综合月壤剖面和演化模型，获得对月球早期演化历史的新认识，更深入地了解月球的现实状况。

此外，“嫦娥四号”还携带了包括棉花、油菜、土豆、拟南芥、酵母和果蝇6种生物样本，承担生物科普试验工作，这也是人类首次在月球上种植植物，全部过程也会被相机记录并回传地球。

“嫦娥四号”开创了人类探测器在月球背面着陆的历史，布满撞击坑和奥秘的月球背面也迎来了它的首位“地球客人”。探月工程三期收官之战。交给它们

我国的探月工程第三期就是要达到发射航天器软着陆月面完成月球采样，并送回地球的目标。这项任务将要由新研制的“嫦娥五号”或者“嫦娥六号”来完成。

“嫦娥五号”探测卫星着陆到月面后将进行钻取和铲取两种方式的采样，然后通过上升、交会对接、月地转移和高速再入返回等一系列过程，将月球样品运回地球，供科研人員进行详细的实验分析，以深化人类对月球情况的认识。

“嫦娥五号”探测卫星由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分组成。其中着陆器将进行月面软着陆，并自动进行月面采样、样品封装等操作。将样品由着陆器的上升器携带升空进入月球轨道，与环月轨道上的轨道器对接，将样品转移到返回器内部。最后轨道器携带返回器点火机动，从环月轨道直接返回地球，返回器将在再入大气层前分离，最后降落在我国北方的内蒙古草原上。

“嫦娥五号”探测卫星预计2019年由“长征五号”运载火箭在海南省文昌卫星发射中心发射升空。“嫦娥三号”不到4吨，而“嫦娥五号”却达到8-2吨，质量增加了1倍多，因此其发射任务要使用推力更大的“长征五号”火箭来执行。

如果“嫦娥五号”顺利完成任务的话，可以携带2千克月球样本返回地球。1970-1976年苏联的3个“月球”号探测器合计取回月样仅为320克，相比之下，可见“嫦娥五号”的优越性能。

按照我国探月工程的惯例，“嫦娥五号”还有一个备份星“嫦娥六号”。“嫦娥五号”往返飞行如果成功，“嫦娥六号”将会改进技术水平，根据已有的月球探测成果，选取探测价值更大区域取样返回。

“嫦娥五号”和“嫦娥六号”共同完成中国探月三期工程后，将为我国载人登月奠定一定的基础，使“九天揽月”由探月阶段进入登月阶段。时逢盛世铸辉煌，浓墨重彩谱华章。相信我国航天科技工作者一定会为实现中华民族伟大复兴的中国梦作出更大贡献！