首登目背的中国信使

庞之浩

“要听话，一路走好，不要摔下去了，不要走偏了。”

“嫦娥”4号要上火箭之前，技术工人师傅摸着探测器和月球车说。说着说着就掉下眼泪来。

看不到的地方总是多一层神秘色彩，比如月亮背面。不管您是否听说过那里有外星人的传言，或者您知道我们去月背探测的是太阳系内已知最大、最深的盆地，亦或者您单纯觉得中国探测器代表人类第一次登上月球背面很骄傲，本期，我们的专题将带您更加详细、深入地了解月球背面的中国故事。

这是一个跨年度的故事，2018年12月8日02：23，“长征”3号乙运载火箭发射成功，直接将“嫦娥”4号送入近地点200千米、远地点约42万千米的地月转移轨道。飞行4天后，进入月球轨道，绕着月球又飞了20多天寻找合适时机，终于在2019年1月3日10：26成功着陆于月球背面，成为世界第一个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，并实现首次月背与地球的中继通信。

截至目前，全球已进行过约130多次探月活动，其实有探测器撞击过月球背面，但是从来没有一个探测器在月球背面进行软着陆。这个首次，确实不容易。此前没有突破这个第一次，重要的原因是在月球背面着陆的探测器不能直接和地球站进行无线电通信。中国智慧让这个无法直线完成的信号传输“中转”了一下。

可能不如“嫦娥”4号和“玉兔”2号有名，但其实也是本次探索月背系统的重要组成的“鹊桥”中继星，成为了本次探月任务的先锋军。“嫦娥”4号发射半年前，“鹊桥”已经于2018年6月14日进入地月拉格朗日2点（简称地月L2点）的晕轨道。在这个使命轨道上，“鹊桥”能同时看到地球和月球背面，并具备在1000米/秒高速在轨飞行中，速度控制精度误差不大于0.02米/秒的超强本领，从而可为在月球背面着陆的“嫦娥”4号及“玉兔”2号与地球站之间提供通信链路，传输测控通信信号和科学数据。

在发射“鹊桥”之前，一次国际会议上，美国科学家向中国探月工程总设计师吴伟仁院士提出了合作请求——能不能延长中继星的使用寿命，能不能在嫦娥四号上放美方信标机？吴伟仁问：“要我们的中继星工作时间长一点干什么？”美国人不好意思地说：“我们也准备到月球背面去，中继星延长使用寿命，到时候美国也想用用。”我们的“鹊桥”未来还会发挥作用，为美国随后的月背登陆当信标机。

飞往月球的路

按照最初的设计，“嫦娥”4号在近月制动前应实施3次轨道中途修正，如上一页大图所示。但是据探月工程的设计师透露：探测器升空后，由于准时发射、准确入轨，中途轨道修正从3次减为1次，即只于2018年12月9日进行了1次，便达到了预期目标。

经过约110小时奔月飞行，2018年12月12日16：39，“嫦娥”4号在距月面129千米处成功实施了7500牛发动机点火，约5分钟后发动机正常关机。16：45，嫦娥四号成功实施了近月制动，顺利完成“太空刹车”，被月球捕获，进入了近月点100千米的环月轨道。这一下“刹车”太关键了，如果“刹车重了”，例如每秒的速度多减30米，可能会导致它撞上月球；如果“刹车轻了”，探测器速度过大的话，月球引力也会拉不住它。

Tips

近月制动

给高速飞行在地月转移轨道的航天器减速。使其被月球的引力捕获，进入环月轨道。“嫦娥”4号飞行110小时，以10千米/秒左右的速度和月球相遇。此时它与月球的相对速度约为2.4千米/秒。到达制动点时，它需要通过减速发动机反推将速度降下来。将原本2.4千米/秒的相对速度降低到1.6千米/秒左右。这一脚“刹车”力度需要极其精准。

“‘鹊桥是人类首颗地球轨道外的专用中继卫星，也是人类航天器首次涉及地月L2点使命轨道。”

——中继星副总设计师 熊亮

2018年12月12日就进入环月轨道，之所以迟迟不着陆，是为了等待时机。由于降落地点处于南极附近，它需要逐渐调整轨道倾角才能经过这里，比较耗时。且为了使“嫦娥”4号最终能在白天实施月球背面软着陆，从而充分获取太阳能以便开展工作。不但如此，还要求等待太阳光照在月球的角度达到理想的状态，这样所有的地貌都会有比较清晰的阴影，最大程度辅助光学设备选择并定位着陆地点。

从高度约100千米的环月轨道下降，想必大家都知道了，还需要实施“太空刹车”。2018年12月30日08：55，再次变轨成功，降轨进入近月点高度约15干米、远月点高度约100千米的椭圆形环月轨道，这一脚刹车更是不能差毫厘，当时1.6千米/秒的飞行速度，几十千米可能一分钟都不到就飞完了，地面可能刚收到信号，就已经来不及采取补救措施了。

2019年1月3日10：15，嫦娥四号从距离月面15千米处开始实施动力下降，7500牛变推力发动机开机，逐步将探测器的速度从相对月球1.7千米/每秒降到零。在距月面约6千米～8千米处，探测器进行快速姿态调整，不断接近月球；在距月面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”4号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。

中国的一小步

“嫦娥”4號地形地貌相机环拍全景图

落月后，通过“鹊桥”中继星的中继通信链路，“嫦娥”4号探测器完成了来自遥远地球的指挥中心的指令，首先就是太阳翼和定向天线展开，建立了定向天线高码速率链路。11：40，着陆器上的监视C相机获取了世界第一张近距离拍摄的月背影像图并传回地面。那张照片，当天下午在朋友圈刷屏了，我看到最感动的转发语是：我们的探测器挑战了看似遥远而黑暗的地方，谁给我们的勇气？中国！

看到着陆自拍的照片后，地球上的关注者们就一直等着下一个激动人心的时刻——两器分离。但在此之前，还有很多步骤要完成。分离的准备工作包含对“鹊桥”中继星状态、着陆点环境参数、设备状态、太阳入射角度等两器分离的实施条件，进行最终检查确认。

1月3日15：07，北京航天飞行控制中心通过“鹊桥”中继星向嫦娥四号探测器发送指令，两器分离开始。“嫦娥”4号着陆器矗立月面，太阳翼呈展开状态。巡视器“玉兔”2号立于着陆器顶部，展开太阳翼，伸出桅杆。解锁顺利分离，“玉兔”2号开始向转移机构缓慢移动。转移机构正常解锁，在着陆器与月面之间搭起一架斜梯，巡视器沿着斜梯缓缓走向月面。

1月3日22：22，“玉兔”2号驶抵月球表面。着陆器上监视相机拍摄了它在月背留下第一道痕迹的影像图，并通过“鹊桥”中继星顺利传回地面。

科研人员根据导航相机拍摄的着陆周围地形信息，对巡视器进行了路径规划，通过“鹊桥”中继星发送了拍照遥控指令。巡视器全景相机对着陆器进行成像.着陆器地形地貌相机对巡视器成像，经过地面数据接收与处理，1月11日16时47分，北京航天飞行控制中心大屏幕上呈现出着陆器和巡视器的互拍影像图。图像清晰显示了着陆器和巡视器周围的月背地形地貌，两器上五星红旗分外醒目。

备份者的进步

“精确着陆避障是着陆器自主实现的，是人工智能在嫦娥4号上的一次完美应用。”

——着陆器制导导航与控制系统主任设计师 关轶峰

大家都说“嫦娥”4號跟3号长得一样呀。确实极其相似，因为4号是3号的备份星。那是不是从2013年到现在这5年多，咱们中国的探测器没什么进步呀？其实不然，我们从一个侧面讲讲4号比3号改进的地方。就从着陆方式说起吧，月球正面有较为宽阔的平原，虽然也有许多陨石坑，但即使是坑底也相对平整，所以“嫦娥”3号是以弧形轨迹缓慢着陆。着陆区地形起伏仅800米，相当于在华北平原着陆，而嫦娥四号落区周围有海拔10000米高的山，要落在凹地海拔负6000米处，地形起伏之大可想而知，相当于在崇山峻岭的云贵川地区着陆。且月球背面地形相比正面更加复杂，着陆区面积相当于3号着陆区的1/8，陨石坑更多，大坑套小坑，地势更陡峭，山峰林立，很难找出再大一些、平坦一些的地方供4号安身。

由于要在凸凹不平的地方软着陆，所以需要具有比3号更准确的着陆精度。为了不撞到峭壁，“嫦娥”4号需具备很高的自主导航和避障功能，以便自主寻找地势相对平坦的地区进行着陆，并只能采取近乎垂直的着陆方式，而且着陆时间短，航程短，风险高。

越过万米高山降落到负6000的山谷，动力下降航迹的高程差变大，导航制导控制系统需优化动力下降策略；着陆区范围缩小，探测器应具备高精度着陆控制策略；可能存在地形对通信和光照的遮挡，探测器需具备更强的自主功能。还有一个重要的不同不能忽略，“嫦娥”4号与地面交流需要通过“鹊桥”中继星中转，其间会产生约60秒的延时，这对于瞬息万变的降落过程显然太久，因此落月全程需要由它自主完成。

工作状态上，“嫦娥”4号也有极大地进步。“嫦娥”3号在长月夜零下180℃的环境中是不能工作的，而4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，保证其度过寒冷漫长的月夜及正常开展探测工作，在国内首次实测月夜期间浅层月壤的温度。也就是说，我们将知道月夜真实的地表温度了。

针对月球背面复杂的地形条件、中继通信新的需求、极大的温差和科学目标的实际需要等因素，对“玉兔”2号月球车进行了适应性更改和有效载荷配置调整，在运动安全、能源供给、科学探测和测控通信等方面均做了特殊的设计。尤其在线路方面进行了设计改进和试验验证，使它更强大，既不怕极热极冷的“广寒宫”，又能完成更多新任务。

“嫦娥”3号携带的“玉兔”号当年等待唤醒的那段揪心历程也成为此次“玉兔”2号的前车之鉴。有针对性地进行了电缆设计与材料应用等技术的改进和试验。“玉兔”2号月球车仅在电缆钩挂、摩擦方面就做了上千次试验，同时也尽量减少电缆裸露在外的面积，减少电缆的故障风险。

最珍贵的科学实验

1月11日，完成两器互拍，地面接收图像清晰完好，中外科学载荷工作正常，探测数据有效下传，且搭载科学实验项目顺利开展，标志着嫦娥四号任务圆满成功。其中科学实验项目由“嫦娥”4号、“玉兔”2号和“鹊桥”中继星——“两器一星”上配置的6台国内研制科学载荷和3台国际科学载荷完成。

“嫦娥”4号任务完成后，我国将在2019年执行探月三期任务，发射“嫦娥”5号采样返回器，它由上升器、着陆器、轨道器、返回器4个部分组成，完成探月工程的重大跨越——带回2千克月球样品。

“嫦娥”4号是我国探月工程四期的第一个任务，此后实施的“嫦娥”6号计划在月球南极进行采样返回任务。“嫦娥”7号同样将在月球南极着陆，计划对月球进行一次综合探测。“嫦娥”8号除了继续进行科学探测试验以外，还要进行一些关键技术的月面试验，为的是论证一个科幻的问题——“要不要在月球建立一个科研基地或科研站？”

责任编辑：武瑾媛

“嫦娥”4号任务科学目标

一、开展月球背面低频射电天文观测与研究。由子受到地球电离层的干扰，在地球上难以开展频率低于10兆赫的射电天文观测。月球背面被认为是开展低频射电天文观测的绝佳地点，它屏蔽了地球的无线电干扰、闪电和极光无线电发射，月夜期间还屏蔽强烈的太阳射电辐射。

二、开展月球背面巡视区形貌、矿物组分及月表浅层结构探测与研究。

三、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。