吳學英：人類首次月球背面軟著陸探測之旅——嫦娥四號任務

　　2018年12月8日，嫦娥四號探測器在我國西昌衛星發射中心成功發射。 2019年1月3日，嫦娥四號成功著陸在月球背面，月球車“玉兔二號”到達月面開始巡視探測，目前已經探測約200米的距離。嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器完成兩器互拍，標志著嫦娥四號任務圓滿成功。

　　

　　

　　一、月球知多少

　　月球是離地球最近的一個地外天體，也是地球唯一的天然衛星。月球的半徑（1738km）與重力約是地球的六分之一，兩者相距約38萬公里；月球表面遍布著許多撞擊坑；月球本身不發光靠反射太陽光，其自轉軸和公轉軸夾角約為5度，有趣的是，月球的自轉周期和公轉周期是一樣的，轉一圈的時間大約是地球上的1個月。

　　地球上始終只能看到月球的正面，永遠看不到背面，這跟天文學所講的“潮汐鎖定”現象有關。“潮汐鎖定”的天體，繞自身的軸旋轉一圈跟繞著同伴公轉一圈的時間是一樣的，同步自轉導致它會用固定不變的一面朝向同伴，所以，從地球上永遠只看到月球的一面。實際上，宇宙中的“潮汐鎖定”是個很普遍的現象，矮行星冥王星和它的衛星卡戎是最好的“潮汐鎖定”例子。

　　

　　

　　月球上的地形地貌大致分為月海和高地。月海相對平坦，最大坡度約為17°（一般為0－10°），標準方差為3.7°，環形坑就是典型的月海；高地起伏更大，最大坡度約為34°（一般為0－23°），標準方差為4.5－6°，甚至更高。如環形山上面部分會有一定坡度，坑中間相對平緩。月球上雖然沒有空氣，但它會不停受著宇宙高能粒子，特別是太陽風（太陽噴射出來的高能粒子）的風化作用，使得形成時間越久的坑越來越平緩。同時，月球表面覆蓋有1~10米左右不等的“月壤”，物理形態上類似火山灰的物質。

　　

　　

　　月表溫差極大，白天溫度高達100多，夜晚溫度又低到零下190多度。

　　

　　

　　

　　二、國際探月潮

　　月球是人類探測地外天體的首選目標，從1958年至今發射的深空探測器多達200余個，其中的月球探測器有100多個。人類探測月球大致分為三個階段：高潮期（1958－1976年），寧靜期（1977－1988年），復蘇期（1989年至今）。

　　

　　

　　1969年7月21日，人類實現了載人登月

　　探測月球主要有五種方式：①硬著陸與飛越；②軟著陸探測與自動巡視勘查；③環繞探測；④樣品自動采樣返回；⑤載人登月探測。

　　目前，人類已開展無人月球探測107次、成功53次，開展載人登月7次、成功6次。

　　1959年1月，蘇聯的月球1號探測器從距月球6000千米處飛過，首次探訪月球；1959年10月，蘇聯的月球-3號在飛過月球時，拍攝到月球背面的第一張照片。

　　

　　美國在1961-1972年間，進行的一系列載人登月飛行任務中，6次成功著陸月球并返回，共有12名宇航員踏上月球。

　　

　　

　　1969年7月20日，人類首次登月

　　“復蘇期”所發射的主要探測器：

　　1989年10月18日，美國發射木星探測器“伽利略號”對月球進行了飛越探測；

　　1990年1月24日，日本發射“飛天”月球技術試驗探測器，進行了飛越探測；

　　1994年1月25日，美國發射“克萊門汀”月球軌道探測器；

　　1998年1月7日，美國發射“月球勘查者”軌道探測器，發現月球上可能有水；

　　2003年9月27日，ESA發射“SMART-1”技術試驗探測器，成功實現環月探測；

　　2007年09月14日，日本發射SELENE月球軌道探測器；

　　2007年10月24日，中國發射嫦娥一號月球軌道探測器；

　　2008年10月22日，印度發射月船一號月球探測器；

　　2009年06月18日，美國發射月球偵察軌道器(LRO)；

　　2010年10月01日，中國發射嫦娥二號；

　　2011年09月10日，美國NASA發射兩個小型“圣杯號”月球探測器；

　　2013年09月07日，美國NASA發射了“月球大氣與塵埃環境探測器”；

　　2013年12月02日，中國發射嫦娥三號，并于14號成功著陸；

　　2014年10月24日，中國發射嫦娥五號飛行試驗器，驗證高速再入返回技術。

　　2018年12月8日，中國發射嫦娥四號飛探測器，首次著陸月球背面。

　　

　　三、嫦娥探月路

　　我國的探月工程分三步：“繞、落、回”。這三個步驟，前者是后者的基礎，后者是前者的跨越。

　　

　　

　　探月是高風險活動，國際上完全成功完成任務的不到一半。我國雖然起步晚，但起點高；投入少，而產出多。我國已實施的5次探月任務都成功告捷。

　　2007年嫦娥一號衛星，實現繞月探測；

　　2010年嫦娥二號衛星，實現先導驗證和多任務多目標探測，也是距離我們最遠的一顆中國衛星；

　　2013年嫦娥三號探測器，實現我國首次和世界第三次月球軟著陸和巡視勘察探測；

　　2014年嫦娥五號飛行試驗器，實現高速再入返回試驗驗證；

　　2018年嫦娥四號探測器，實現月背軟著陸和巡視勘察探測。

　　一期工程——“繞”

　　嫦娥一號工程實現了我國從地球走向月球，并對月球進行科學探測。其科學目標是獲取月球表面三維影像，分析月球表面元素含量和物質類型的成分，探測月壤特性，探測地月空間環境。

　　

　　

　　嫦娥一號驗證了地－月飛行軌道設計技術、地－月遠距離測控與通信技術、關鍵變軌控制技術等關鍵技術，使我國初步掌握了繞月探測的基本技術。嫦娥一號衛星繞月期間發回了1.4TB原始科學數據，取得了以月球影像圖為代表的大量科學成果。

　　我國第一張的月面的全影像圖

　　二期工程——“落”

　　嫦娥二號獲得了多項成果：成功獲取備選著陸區1.5m和全月面7m分辨率成像數據；首次開展了日地拉格朗日L2點（兩個天體之間的平衡力點，理論上衛星能在這個點保持靜止）的探測試驗，并且飛越當時距離地球約700萬千米的圖塔蒂斯小行星并對其成像，國際上首次實現對該小行星近距離探測。

　　

　　全月面7m分辨率成像數據

　　嫦娥三號探測器由著陸器和巡視器組成。探測器經過地月轉移段、環月段和動力下降段的飛行，在月表虹灣地區實施軟著陸，兩器進而分離成兩個獨立的探測器，各自展開月面探測工作。

　　

　　嫦娥三號獲得了首幅月球剖面圖——“嫦娥三號”開展了著陸區月壤內部與月殼淺層結構探測，是國際上首幅月球地質剖面圖。首次揭示月球雨海區的火山演化歷史；在月基天文觀測——月基光學望遠鏡在月面上對多個天區實現近紫外天文觀測；在月球上看地球——通過極紫外相機，人們在月面上對地球周圍15個地球半徑的大視場等離子體層進行極紫外觀測。

　　嫦娥四號工程實現人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察；實現首次地月L2點中繼星對地對月的測控、數傳中繼。其科學目標：月基低頻射電天文觀測與研究；月球背面巡視區形貌和礦物組份探測與研究；月球背面巡視區淺層結構探測與研究。

　　嫦娥四號探測器系統包括著陸器、巡視器和中繼星。分兩次發射：中繼星單獨發射，進入地月系L2平動點使命軌道；“著巡”組合體發射，著陸至月球背面，在中繼星中繼鏈路的支持下，兩器分離并分別開展月面原位與巡視探測。

　　

　　月球背面分布著大量高地，遍布著撞擊坑和環形山。背面南部分布著著名的南極－艾特肯盆地（South-PoleAitkenBasin，SPA），中心緯度40°S～60°S，中心經度180°附近，直徑2000km～2600km，是太陽系中規模最大、最古老的撞擊盆地，具有極高的科學研究價值。

　　月球背面由于其特殊位置，其特點有：

　　1)屏蔽來自地球的各類無線電信號，是對宇宙電磁波譜探測的最佳地點，是理想探測環境；

　　2)具有月球最大、最深、最古老的盆地-SPA盆地，保存了月球的早期信息，對于研究月球和地月系的初期歷史和演化、深層次的構造和成分具有重要意義；

　　3)SPA盆地的形成也是目前爭論的科學問題。

　　通過嫦娥四號任務的實施可進一步增加人類對月球背面的了解，與月球正面的探測結果進行一體化綜合分析與研究，將可全面了解月球。

　　嫦娥四號工程主要有兩個難點：復雜地形的著陸和中繼通信。

　　第一個，復雜地形的著陸。

　　月球背面的南極—艾特肯盆地，地形起伏高達7公里，撞擊坑多，對著陸安全造成很大影響。滿足安全著陸就要解決兩個問題：高精準著陸，即需要精細化的軌道設計與控制，采用“傾角+相位”聯合修正的最優算法，實現著陸初始點位置和時刻的精細控制，優化導航算法，實現“定點定時”著陸；高可靠著陸，即優化動力下降策略，合理設計分段控制目標和導航修正策略，避免航跡地形起伏的影響；提高自主能力，系統自主故障診斷與重構，自主建立著陸后工作狀態。

　　第二個，全時中繼覆蓋。

　　地月L2點軌道設計基于日、地、月關系，優化平動點軌道參數，實現全時中繼覆蓋；軌道維持策略設計基于測軌和軌控精度，優化軌道維持策略，減少速度增量需求。采用再生轉發體制，獲得返向鏈路信道編碼增益，提高數據中繼能力。采用4.2m傘狀天線技術，提高前/返向鏈路信道增益；優化幀同步容錯策略，提高低信噪比解調能力；多通道+多模式+多速率，對月雙目標同時可靠中繼。

　　嫦娥四號的發射飛行過程：

　　2018年5月21日，在西昌衛星發射中心采用長征四號火箭成功發射中繼星“鵲橋”；

　　2018年6月14日，中繼星進入地-月L2點使命軌道；

　　2018年12月8日，在西昌衛星發射中心采用長征三號乙火箭發射著陸器和“玉兔二號”巡視器。

　　2019年1月3日10時14分35秒，開始實施動力下降，于10時26分2秒，觸月敏感器觸發，標志著陸器安全著陸到月面。

　　近距離成像：

　　

　　著陸器的監視相機拍攝的人類第一張近距離月球背面圖像

　　

　　兩器分離：

　　

　　玉兔二號移動到月面影像

　　

　　兩器互拍：

著陸器地形地貌相機對巡視器成像 巡視器全景相機對著陸器成像

　　環拍成像：

　　

　　著陸器地形地貌相機對著陸點周圍進行360°環拍

　　月面巡視：截至目前，玉兔二號共計移動約190m。

　　　　

　　科學探測：

　　1）月基低頻射電天文觀測研究：低頻射電頻譜儀在月球背面首次開展低頻射電天文觀測。

　　2）月球背面巡視區形貌和礦物組份探測與研究：紅外光譜成像儀。

　　3) 月球背面巡視區淺層結構探測與研究。

　　4)地月空間環境探測。

　　嫦娥四號探測器近日有了重大科學發現。5月15日，《自然》雜志發布了有關月球探測的一篇文章，來自中國的科學家團隊利用嫦娥四號就位光譜探測數據，證實了月幔富含橄欖石推論的正確性，為月幔物質組成提供了直接證據。

　　2019年2月4日，國際天文學聯合會(IAU)批準了嫦娥四號著陸點及其附近5個月球地理實體命名：嫦娥四號著陸點命名為“天河基地”；著陸點周圍呈三角形排列的三個環形坑，分別命名為“織女”、“河鼓”和“天津”；著陸點所在馮卡門坑內的中央峰命名為“泰山”。這些充分反映了我國在月球探測及其科學研究工作上所取得的成績，也體現了綜合實力和科學技術發展水平。

　　嫦娥四號任務的圓滿成功，首次實現了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察，地球與月球背面的測控通信，在月球背面留下了世界探月史上的第一行足跡，揭開了古老月背的神秘面紗，開啟了人類探索宇宙奧秘的新篇章。為人類和平利用太空、推動構建人類命運共同體貢獻了中國智慧、中國方案、中國力量。

　　三期工程——“回”

　　不久的將來，我國將發射嫦娥五號，實現采樣返回任務。未來還要實現月球極區探測，為建立月球科研站進行前期技術驗證。