嫦娥四号：探寻月球背面的秘密

嫦娥四号：探寻月球背面的秘密作者：来源：《发明与创新·大科技》2019年第01期从嫦娥一号登月成功，到嫦娥二号首次实现我国对小行星的飞越探测，嫦娥三号成功实现落月梦想，再到嫦娥四号的“月背”之旅……十几年的探索、38万公里的追寻，中国航天以“探月梦”托举“中国梦”，书写了人类文明发展历程中的惊鸿之笔。

备受期待的年终“航天大戏”终于来了。

2018年12月8日2时23分，嫦娥四号探测器（下称“嫦娥四号”）从西昌卫星发射中心出发，向遥远的月球飞去，人类首次月球背面软着陆巡视探测的大幕正式拉开。

千百年来，月亮一直是人类心中的神秘之所，思乡的情怀、探索宇宙的渴望，都交织在“举头望明月”的目光中。

此前，我国探月工程也曾分别实施嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号等任务，对月球进行探测。

然而，中国人及其探测器目光所及之处，仅仅是月亮的正面。

月球背面究竟是什么样，嫦娥四號将第一次身临其境地“触摸”它。

2018年12月12日下午，经过约110小时的奔月飞行，嫦娥四号到达月球附近。

16时39分，北京航天飞行控制中心科技人员发出指令，嫦娥四号在距月面 129 公里处成功实施7500牛发动机点火。

16时45分，嫦娥四号发动机正常关机。

根据实时遥测数据监视判断，嫦娥四号顺利完成“太空刹车”，被月球捕获，进入近月点约100公里的环月轨道，近月制动获得圆满成功。

鲜为人知的是，嫦娥四号不但实现了准时发射、准确入轨，还创造了一个奇迹。

按照原计划，嫦娥四号在近月制动前，要实施3次轨道中途修正，结果只在12月9日进行了1次，就达到预期目标。

这样一来，嫦娥四号节省了用来修正轨道的燃料，从而更有利于执行后续任务，并延长设备寿命。

嫦娥四号在环月轨道运行18天后，其间不断调整环月轨道高度和倾角，进行与中继星中继链路、导航敏感器的在轨测试，于2018年12月30日8时55分，成功实施变轨控制，顺利进入预定的月球背面着陆准备轨道，预计这次着陆将在2019年1月3日进行。

与之前“奔月”的姐妹们不同，这次嫦娥四号瞄准的是月球背面，那么，嫦娥四号软着陆背后有哪些不为人知的秘密？嫦娥四号于2018年12月12日进入环月轨道，截至2018年12月31日，嫦娥四号已经绕着月球飞行了19天。

对此，有网友问，嫦娥四号为何迟迟不落月？有专家解释，嫦娥四号要等着陆区天亮。

月球整体光照情况显示，嫦娥四号进入月球轨道时，它的预定着陆区南极-艾特肯盆地一带正在进入夜晚。

黑灯瞎火降落，万一摔跟头怎么办？由于一个月夜相当于地球上的14天，所以嫦娥四号需要多飞一阵，等到落区太阳高照时降落，当然更加稳妥。

但北京航天飞行控制中心轨道专家组组长刘勇指出，嫦娥四号之所以要经过这么久的太空飞行，原因不仅于此，还跟嫦娥四号的入轨倾角与落区位置有关。

刘勇说，嫦娥四号进入环月轨道时，其轨道面与地月连线基本垂直，而它的着陆点经度在180度左右。

这意味着当时嫦娥四号的轨道并不经过落点，其间大约有270度的偏差。

这需要通过月球自转，花费时间逐渐弥补。

既然要等，为何不能推迟半个月发射？这就涉及发射窗口的问题。

嫦娥四号的发射时间要考虑很多的约束条件，使它与日、地（包括地面点和近地轨道）、月（包括着月点）的相对关系满足任务需求。

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，为登月创造条件;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，还要考虑连续测控问题。

在此背景下，嫦娥四号形成发射机会的交集只在2018年12月8日和9日各有2次，加起来也只有几分钟，正所谓“过了这村就没这店”。

千百年来，由于月球自转周期和公转周期相等，加上被地球潮汐锁定，地球强大的引力让月球总是一面朝向地球，所以地球上的人们只能看见月球的正面。

月球的背面，成为了“秘境中的秘境”。

各种月球探测器拍摄的月球照片显示，月球背面这张“面孔”并不漂亮，是一张“麻子脸”，陨石坑数量比月球正面要多得多，放眼望去随处可见，密密麻麻。

月背的“皱纹”也多，布满沟壑、峡谷和悬崖，而月球正面相对平坦的地方比较多。

此外，月球背面还是个“厚脸皮”，它的月壳从整体来讲比正面要厚。

究竟是什么原因导致月壳厚度不一样，众说纷纭，至今仍是天文学界的一个未解之谜。

嫦娥四号在月球背面降落还有更多科学目的。

月球分为三大地体，即克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾特肯盆地地体。

前两个地体，美国、苏联都着陆巡视探测过，只有艾特肯盆地地体没有近距离就位探测过，因此这块区域目前就近距离巡视探测而言，属于处女地，在科学上会有很多新发现。

“月球背面是科学家们梦寐以求的地方。

”我国月球探测工程首席科学家欧阳自远说，因为月球背面是接收低频辐射的一个完美场所。

“只有到月球背面去，才能够获得这些人类从未得到过的信息，而这些信息将蕴藏丰富的科学内容。

”由于屏蔽作用，在地面上无法开展低频射电观测。

受地球磁环境的影响，在月球正面开展低频射电观测效果也不尽如人意。

恰恰由于月球背面的磁环境非常干净，没有来自地球的无线电波干扰，是进行射电天文观测的最佳场所，如果能利用这一自然地形架设天文望远镜，就好像把“天文台”搬到了月球背面。

嫦娥四号降落地点为南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑，这个着陆点是如何选出的？中国航天科技集团五院嫦娥四号探测器总设计师孙泽洲说，嫦娥四号是嫦娥三号的备份，嫦娥三号的着陆区在北纬45度左右的虹湾地区，探测器是按照这一纬度的光照条件设计的热控系统和太阳翼。

而大部分继承了嫦娥三号设计的嫦娥四号首选着陆区纬度也在40度至50度之间。

这样，嫦娥四号的着陆区从经纬度上就基本确定下来了。

在这个大致范围内，科学家们看中了艾特肯盆地，这是太阳系中已知最大、最深、最古老的撞击坑，这里蕴含着月球最早的信息，有很高的科学研究价值，对这里的探测将对人类了解月球、地球、太阳系的演化提供第一手数据和线索。

而在艾特肯盆地这个直径大约2500公里、深13公里的巨大撞击坑内，还有一个直径为180公里的冯·卡门撞击坑，其底部地势相对平坦，能较好地保证着陆安全。

恰好与冯·卡门撞击坑经度上相差约13度的地方，有一个称之为克雷蒂安的撞击坑，非常适合作为备选着陆区。

假如嫦娥四号第一天在主选着陆区没有成功着陆，第二天还可以着陆在备选着陆区。

除了科学上的意义，对冯·卡门撞击坑的探测还有另一层意义，它是以20世纪匈牙利裔美国航天工程学家冯·卡门命名的，他被誉为“航空航天时代的科学奇才”。

中国航天事业的奠基人钱学森、郭永怀都是他的亲传弟子。

嫦娥四号要到月球背面安家落户，首先遇到的问题就是它与地球不仅相隔遥远的地月距离，而且还要隔着通信信号无法穿透的月球球体。

“搭桥”发射中继卫星，实现“飞鸽传书”是较为完美的解决方案。

2018年4月24日，嫦娥四号中继卫星被正式命名为“鹊桥”。

“鹊桥”不大，重约448千克，卫星本体横向尺寸1.4米×1.4米，高度850毫米，加上天线高约3米，整个卫星尺寸与中型保险柜相仿。

中国航天科技集团五院中继星“鹊桥”主任设计师孙骥说，“鹊桥”虽然不是嫦娥四号任务的主角，却是重要的组成部分，其使命就是为月球背面的着陆器和巡视器提供中继通信服务。

由于嫦娥四号在冯·卡门撞击坑着陆，设计师决定把“鹊桥”架在地月系统拉格朗日L2点上，这个位置处于地球和月球两点连线的延长线上，且在較小的天体也就是月球一侧，在这个位置，“鹊桥”既可以看到地球，又可以看到月球背面，因此，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换，完成“中继”任务。

当然，如果中继星“守”在地月系统拉格朗日L2点不动，由于受月球遮挡，仍然“看不见”地球。

于是，设计师为其设计了Z向振幅约1.3万公里，绕地月系统拉格朗日L2点的Halo轨道。

“鹊桥”在这一轨道上做拟周期运动，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，通过定期轨道控制来保持轨道的稳定性，实现对嫦娥四号着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

值得注意的是，除了搭建通信桥梁，“鹊桥”还尝试为空间科学试验“牵线”，激光测距试验是其一。

目前，人类历史上最远距离的激光测距试验是依据1969年阿波罗11号在月球上放置的一套激光测距反射镜阵列进行的。

如今，在距离地球约40多万公里的地月系统拉格朗日L2点附近，“鹊桥”将尝试把远距离激光测距的纪录再度延伸。

“鹊桥”上还搭载了浙江大学研制的两台相机，用来拍摄天线展开的过程，若幸运，人们还会看到其拍摄的地月彩色合影。

为保证嫦娥四号成功在月球背面软着陆，我国航天器制导、导航与控制（GNC）技术不断升级。

GNC系统负责嫦娥四号着陆器和巡视器组合体奔月、环月、落月整个过程的控制，特别是临近月球时的“踩刹车”和落月的过程，没有重来的机会，对系统的可靠性有着极高的要求。

相较于嫦娥三号，嫦娥四号的落月难度更高，难度主要来自于“月球背面安全着陆”。

因为整个落月过程由GNC系统自主操控，且回传画面会有一定的延迟，对地面人员来说，这个过程近乎是“盲降”。

为了防止在最紧张的、不可逆的月球背面着陆过程中“鹊桥”出现问题影响数据上传，GNC 系统设计了延时数据注入功能，就是提前把要注入着陆器计算机的数据发送到着陆器上的某个地方暂存，这个数据包带有时间标签，待到着陆器上的时间和该标签相同时，数据便会自动注入，如此，“鹊桥”的实时数据注入就成为了备份手段。

此外，GNC系统还可以“全程自主故障诊断与重构”，万一真的发生了故障，系统可以随时给自己进行“诊断”，找到并剔除病灶，通过身体各部分功能的优化再组合，保证机体整体功能的正常，确保落月过程的万无一失。

此外，嫦娥四号着陆器、巡视器的两器分离，巡视器的月面就位探测、巡视探测，月昼月夜的交替等挑战也将考验GNC系统的智慧。

如何保证嫦娥四号着陆时不会“闪着腰”？面对体重超过1吨的嫦娥四号，为实现软着陆，科研人员在着陆器上安装了反推发动机。

但能否经受住最后的“一落”，着陆器的四条腿至关重要。

这四条腿的学名叫“着陆缓冲机构”。

它能够利用缓冲功能，将嫦娥四号着陆月面瞬间所产生的冲击有效吸收，防止巨大的冲击力对嫦娥四号安装的重要仪器设备造成损伤。

为确保良好的缓冲，科研人员为四条腿了配备了两个秘密武器。

一个是“大脚掌”，这是与月球表面直接接触的部位，它是圆的，看上去像一个大脸盆。

说它很大，是因为它的直径差不多是普通人脚长的两倍。

为什么要设计成盆状？这种盆状结构可以更好地防止嫦娥四号着陆月面时摔倒。

为了让这个大脚掌足够强壮，其内部使用了蜂窝状的材料，在中央还埋藏着一个长得像足弓的很特别的金属结构，能有效分散冲击力。

同时，在这个“足弓”内部还填充有更加致密的缓冲材料，能够有效吸收冲击能量，起到更好的缓冲作用。