先說重點：2018年12月8日凌晨2時許，「嫦娥四號」探測器預計將發射升空，實現人類首次月球背面軟著陸。

2013年12月14日降落到月球正面的「嫦娥3號」著陸器，即將發射的「嫦娥4號」長得跟她基本一樣。這張圖像由「玉兔」號月球車拍攝

來源：中科院國家天文台

視頻：2013年12月14日，「嫦娥3號」降落月面的實拍錄像，一起回顧一下5年前的那場壯舉

各位早上好，好久不見。

根據目前掌握到的消息，我國「嫦娥4號」探測器搭載漫遊車，預計將在2018年12月8日（周六）凌晨2時許從西昌衛星發射中心發射升空。儘管沒有非常詳盡的官方介紹和報道，國內的民眾以及國外的網友和航天愛好者們普遍對這一計劃缺乏了解。但我們依舊可以從近幾年公開發表的一些論文中找到一些線索，請注意，以下內容基本都出自相關文獻，以及央視，新華社以及其他官方媒體的公開報道。

好了。以下，老嚴準備花點時間，大致和大家聊一聊「嫦娥4號」任務的情況。我初步回答了幾個最核心的問題，大家如果還有其他關於「嫦娥4號」，乃至整個嫦娥計劃方面感興趣的問題，歡迎留言提問。

想念大家，也確實有很多話想跟大家探討，近期老嚴會抽空陸續寫一系列與嫦娥計劃有關的文章，和各位同學，老師們，還有其他讀者朋友們一起學習，討論，也希望對大家了解中國正在開展的航天項目，有所了解。

問題一：

什麼「是嫦娥計劃」？

「嫦娥一號」可以說是我國開始走向深空探測的第一步

來源：見水印

「嫦娥」計劃是中國探月工程的名稱。最早，我們國家在1994年的時候，就進行了有關探月活動必要性和可行性的相關研究。此後，經過充分論證，中國科學院於2000年基本確定了我國開展月球探測的科學目標。

隨後又是10年的等待，反覆研究，論證，中國的探月工程終於在2004年得到正式立項，並被命名為「嫦娥工程」，這是我們國家第一次離開地球軌道，飛向另一顆星球的計劃。

在2006年2月由國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》中，第一次明確將「載人航天與探月工程」列入了國家16個重大科技專項這一。按照工程規劃，「嫦娥工程」分為「繞」，「落」和「回」三步走。」繞「就是發射圍繞月球的軌道器；「落」就是實現在月球表面的軟著陸；「回」就是要把一部分月球的岩石和土壤帶回地球做研究。

中國探月工程「嫦娥工程」的徽標，可以窺見讓中國人的腳印第一次印在月球上的雄心壯志

來源：國家航天局

「嫦娥計劃」實施日程表

來源：裴照宇等，深空探測學報 ，2015年6月

2014年，「嫦娥5號T1」實驗飛行器「小飛」繞飛月球後安全返回內蒙古著陸場，這是為日後月球取樣返回乃至載人登月做的技術準備

來源：新華社

「嫦娥5號T1」實驗飛行器「小飛」飛行軌道示意圖

來源：裴照宇，王瓊，田耀四，深空探測學報，2015年6月

這個計劃執行的怎麼樣了？很多人可能略有耳聞，但說不清楚。實際上，我們已經分別在2007年和2010年發射了「嫦娥1號」和「嫦娥2號」，這兩顆都是月球軌道器，實現了「繞」的第一步驟；5年前的2013年，「嫦娥3號」在虹灣降落成功，並釋放月球車，實現我們第二步的「落」；

未來，我們將通過「嫦娥5號」進一步實現「回」，即月面無人取樣返回的目標。而實際上，為了實現難度最大的第三步取樣返回，我們一直在緊鑼密鼓實施各項技術試驗，其中最具代表性的就當屬2014年10月份發射的「嫦娥5號T1」試驗飛行器，它的目標很明確，驗證從月球軌道的高速大氣返回技術，這正是「嫦娥5號」甚至以後的載人登月計劃中所需要的技術環節之一。

問題二：

通俗的說一下，「嫦娥4號」是做什麼的？

玉兔號拍攝的，位於遠處「月平線」上的「嫦娥三號」著陸器

來源：中科院國家天文台

在月面行駛的「玉兔號」月球車，「嫦娥3號」著陸器拍攝。「嫦娥4號」攜帶的巡視器，也就是「玉兔二號」，和她的姐姐「玉兔號」是基本一樣的

來源：中科院國家天文台

首先，說一下「嫦娥4號」的「身世」。航天是高風險行業，可以說發生意外並不意外。因此，很多航天國家在研製探測器時一般都會一次做兩個一模一樣的，一個叫「主份」，另一個叫「備份」。比如「嫦娥2號」就是「嫦娥1號」的備份，如果「嫦娥1號」出現意外，2號就會頂替1號，「堅決完成任務」。

但是因為我們都知道，「嫦娥1號」非常成功，那麼「嫦娥2號」也不能浪費是不？但也不能簡單重複一號的工作啊，怎麼辦？我們的科學家們決定：改造二號，使其承擔更進一步，更具有風險的繞飛任務，並為後續的「嫦娥3號」著陸區進行詳細勘測。就說一個方面，「嫦娥1號」飛行時，距離月面有200公里，而「嫦娥2號」最近時高度僅有15公里！要知道月球上是起伏不平的，有很多上千米的高山！

（點擊看大圖）「嫦娥3號」著陸點示意圖（右側淺色長條）

來源：中科院國家天文台

左上方的「虹灣」即為「嫦娥3號」的著陸區，注意右側「嫦娥1號」的撞擊點，在完成任務後，「嫦娥1號」主動撞擊了月面

來源：《中國航天》 2014年第1期

為什麼這樣做？一方面是為了拍攝更加清晰的「嫦娥3號」預定著陸區圖像，仔細查看那裡是不是有過多的石塊等對著陸可能產生威脅的因素；另一方面，「嫦娥3號」在著陸時，同樣會先變軌到15公里高度，隨後開始緩慢下降，這其實是對後續著陸月球的測控技術的一種提前演練，意義不可謂不重要。

說了這麼多，跟「嫦娥4號」有什麼關係？很簡答：「嫦娥4號」就是「嫦娥3號」的備份星。儘管出現了一些意想不到的故障，但2013年的「嫦娥3號」仍然基本完成了我們計劃中「落」的目標，於是和前面一樣，作為備份的「嫦娥4號」任務在2014年被批准立項，進行各項改裝，準備放手去執行更加大膽的計劃。是什麼呢？著陸到月球背面去！

是的，過幾天就將升空的「嫦娥4號」將會降落到月亮的背面去。這是人類的第一次。

問題三：

為什麼要去月球背面？那裡沒人去過嗎？

1959年，人類首次遠遠一窺月球背面的模樣。圖像由蘇聯「月球3號」拍攝

來源：wiki

是的，沒人去過。人類早在1959年就通過蘇聯發射的「月球3號」衛星第一次看到了月球背面的模樣，但也只是遠觀而已，從未有著陸器實現在月球背面的降落考察。

由於「嫦娥3號」已經實現了我們原計劃中第二步「落」的目標。說句不好聽的大實話：作為備份星的「廢品利用」，「嫦娥4號」就有了進行更大膽，當然在科學上也更可能有收穫的任務的底氣和可能性。

那麼為什麼我們最終選擇了月球背面？

圖一：月球的「同步自轉」現象：由於月球自轉的方向與周期，與它自己圍繞地球公轉的方向和周期是一樣的。這樣導致的一個結果是，月球永遠以同一面朝向地球。換句話說，我們在地球上只能看到同一面的月球，我們看不到它的背面

來源：space.com

圖二：中間是地球，月球圍繞地球公轉。請注意，圖中太陽在左側，陽光會照亮半個月球。根據月球上的標記物，你會留意到，隨著月球公轉一周，它的地表各處都經歷了白天和夜晚。所謂「月之暗面」是不存在的謠言

來源：space.com

在講述之前，首先我們需要明確幾個關於月球的基本知識點（此處敲黑板），以免一部分讀者感到困惑。順便，如果屏幕前的你是一位高中生，而你竟然也對以下的論述感到困惑，那就說明你沒有學好高一地理，看完趕緊回去複習。

第一，參見圖一：月球永遠以同一面朝向地球，換句話說，月球有一面是我們在地球上永遠也看不到的，這就是月球的背面，而即將在本周六升空的「嫦娥4號」探測器，正是在那裡著陸——人類歷史上的一次；

第二，參見圖二：月球背面並不是永恆的黑夜，所謂「月之暗面」是不存在的。簡單的解釋就一句話，請讀者體會：月球是永遠以一面朝向地球，而不是以一面朝向太陽。換句話說，月球表面每個地方都會有白天和晚上，月亮上的一天大約是28天不到一點，所以「廣寒宮」里的白天大概相當於我們「人間」的14天，夜晚也是大約14天；

（點擊放大）基於「嫦娥1號」數據構建的全月球地圖。左側為正面，我們熟悉的月球；右側是我們地球上看不到的背面。紅字標出了SPA盆地位置

來源：中科院國家天文台

「嫦娥4號」的預定著陸區「馮·卡門環形山」。馮·卡門是我國航天的奠基人，火箭專家錢學森在美國加州理工讀書時的恩師，美籍匈牙利科學家，世界著名的空氣動力學家

來源：吳偉仁，王瓊等，深空探測學報，2017年4月

按照目前可以查詢到的一些資料，「嫦娥4號」的預定著陸點是位於月球背面南極–艾特肯(South Pole-Aitken，SPA)盆地內的馮?卡門(Von Ka?rma?n)撞擊坑。SPA是一個直徑達到2500公里，最深處超過13公里的超級大盆地。這是整個月球上已知最大，最古老，深度也最大的撞擊盆地，事實上，SPA盆地被認為很可能是整個太陽系內最大、最古老的撞擊盆地，這裡保存了原始月殼的岩石，具有極高的科學研究價值。馮?卡門撞擊坑位於SPA盆地的中部，直徑約186 km，中心坐標為(44.8°S，175.9°E)。

該撞擊坑是SPA盆地中典型地貌類型，物質成分和地質年代具有明顯的代表性。撞擊坑內的釷、氧化鐵、二氧化鈦等含量均較高，同時物質組成的異常空間分布可能提供該地區火山活動以及月殼活動線索，有利於開展月殼活動研究，並對月幔玄武岩起源研究有重要意義。因此，馮?卡門撞擊坑具有較高的科學探測價值，被認為是未來載人月球探測的候選著陸點之一。

馮·卡門環形山周圍區域高程地圖，地勢上大致北高南低，有利於自北向南實現降落

來源：王慧慧，孟治國等，深空探測學報，2018年2月

另一方面，馮?卡門撞擊坑的南部地勢相對較為平坦，按照設計，屆時「嫦娥4號」將從北往南飛行並逐漸降低高度，從著陸航跡上看，馮?卡門撞擊坑地形起伏較小，有利於保障著陸過程安全。最後，其緯度與「嫦娥3號」的虹灣著陸區相近，在著陸安全性、熱控、光照、測控通信等方面都有一定的經驗，具有較為有利的條件和較強的工程可實現性。

但同樣重要，甚至更為重要的一點是：月球背面極為適合進行射電天文觀測。由於地球擁有大氣層，很多波長的電磁波是無法抵達地面的，另外，在某些波段上，地球上大量的無線電設備，大氣中的閃電，極光等現象都會對觀測數據產生嚴重干擾，甚至讓觀測難以進行。

所謂的「大氣窗口」。地球的大氣層就像一扇窗戶，它允許某些頻率波長的電磁波透過，但阻擋另一些透過。畫面右側可以看到，長波低頻波段的電磁波幾乎被完全屏蔽。而月球背面則是極為理想的觀測地點，科學家們渴望去那裡進行觀測。12月8日，他們的夢想即將開啟

來源：wiki

但是月球背面卻完全沒有這些問題：這裡沒有大氣，由於月球背面永遠背對地球，因此這裡屏蔽了所有來自地球的信號干擾，唯一的干擾就是太陽輻射。而在夜晚，當太陽落山之後，這裡就成了開展低頻射電天文觀測的絕佳地點。

「嫦娥4號」任務搭載了相應的科學設備，將在人類歷史上首次在月球背面開展低頻射電天文觀測，有望填補人類在100~ 1 000 kHz射電天文觀測的空白，有望在太陽風激波、日冕物質拋射和高能電子束流的產生機理等方面取得原創性的成果。

問題四：

落到月球背面，「嫦娥4號」怎麼跟地球保持聯繫？

「鵲橋」中繼衛星在月球背面與地球之間建立信號鏈路示意圖

來源：國家航天局

好問題！你想到了嗎？

的確，前面說到，月球的「身子」能擋住來自地球的干擾，當然同樣也能擋住通訊信號。人類歷史上所有的月球著陸器無一例外都是降落在月球的正面，也就是我們從地球上能夠看到的那一面，原因很簡單，它需要和地球進行通訊。這也是為何當年爭相開展月球探測的美蘇兩國最終都沒有進軍月球背面的原因之一，換句話說，他們才不是因為怕那裡有什麼外星人基地！

怎麼解決呢？我們的方法是發射一顆中繼衛星，它被放置在地球與月球之間的第二拉格朗日點（L2點）上。這是地球與月球兩者引力的平衡點之一，在這個位置上，中繼衛星只需要消耗很少的燃料就能夠長期運行。

圖中的L2點即為地球-月球之間的5個引力平衡點之一，「鵲橋」正在那裡運行，等待為「嫦娥4號」提供通訊支持

來源：wiki

「鵲橋」工作原理示意圖

來源：吳偉仁，王瓊等，深空探測學報，2017年4月

而這個位置的好處就在於，它能夠同時將地球，以及月球背面納入視野，從而扮演兩個原本被隔絕的地點之間的「通訊聯絡員」。

我們可以做這樣的比喻：就想在足球場上踢球，你（嫦娥4號）想傳球（信號）給遠處的隊友（地球），可是你們中間有一個人高馬大，長得跟胖虎差不多的對方防守隊員（月球球體），為了把球傳給對方，你決定「曲線救國」——你把球（信號）傳給了遠處的另一位隊友（中繼衛星），由他再把球傳給在對手身後的你的隊友（地球）。

為執行「嫦娥4號」計劃服務的中繼衛星名叫「鵲橋」，它已經在2018年5月21日順利發生升空，此時此刻已經在地月L2點上準確運行，等待「嫦娥4號」飛船的到來。

問題五：

能否說說「嫦娥4號」自身的基本情況？帶了哪些科學設備？

（點擊放大）「嫦娥4號」任務載荷搭載情況表

來源：吳偉仁，王瓊等，深空探測學報，2017年4月

好，說了那麼多，是該說說「小四」本身了，但這裡我沒有更多的細節照片可以給到大家，還是以文字為主，還請諒解。

「嫦娥4號」由著陸器、巡視器和中繼星組成。中繼星、著巡組合體分別發射，將實現人類航天器首次月球背面軟著陸，利用運行於地–月拉格朗日L2點的中繼星「鵲橋」完成著陸器與巡視器與地面的通信。

著陸器與巡視器組成的所謂「著巡組合體」發射質量約3780 kg，它們將一起降落月面，隨後釋放漫遊車（即「巡視器」）。其中著陸器設計壽命6個月，巡視器設計壽命3個月。 總的來說，著陸器和巡視器基本繼承了「嫦娥3號」的狀態，但也根據新的任務需求進行了適應性更改，特別需要提及的是，為進一步深入認識月球特性，獲取第一手工程參數，著陸器將開展月夜期間月壤溫度測量。 為此採用基於238Pu同位素熱源（RHU）的同位素溫差發電器（RTG），在月夜期間既可提供不小於2.5 W的電功率，還能提供大量熱能用於艙內溫度控制。

換句話說，「嫦娥4號」除了太陽能板之外，還帶了一塊「核電池」，可以在夜晚的時候開展一些科研觀測，而不必像3號那樣一到晚上就得睡覺。

「嫦娥4號」著巡組合體外觀

來源：吳偉仁，王瓊等，深空探測學報，2017年4月

搭載的科學載荷部分：

針對「嫦娥4號」任務的三大科學目標和國際合作需求，探測器共配置了9台科學載荷，其中包括6台國內研製載荷和3台國際合作載荷：

其中，著陸器配置了4台科學載荷，包括國內研製的降落相機、地形地貌相機、低頻射電頻譜儀以及與德國合作的月表中子與輻射劑量探測儀。

1）降落相機：用於在著陸器降落過程中動態拍攝著陸區域的光學圖像；

2）地貌相機：用於獲取著陸區月表圖像並監視巡視器月表移動；

3）低頻射電頻譜儀：用於探測0.1~40 MHz範圍內的太陽低頻射電特徵和月表射電環境；

4）月表中子與輻射劑量探測儀（中德合作）：用於測量月表包括帶電粒子、γ射線和中子的綜合粒子輻射劑量及LET譜，測量月錶快中子能譜和熱中子通量，為未來載人登月安全活動和月表綜合粒子輻射模型修正提供最新數據支持；

巡視器配置了4台科學載荷，包括國內研製的全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達以及與瑞典合作的中性原子分析儀。

1） 全景相機：用於獲取巡視區的月表圖像；

2） 紅外成像光譜儀：用於獲取巡視探測點的月表光譜數據和幾何圖像數據；

3） 測月雷達：用於探測巡視路線上的月壤厚度和月殼淺層結構；

4） 中性原子分析儀（中瑞合作）：用於觀測巡視探測點0.01~10 KeV能量範圍內的能量中性原子及正離子，這將是國際首次在月表開展能量中性原子探測；

另外，中繼星上也配置了1台科學載荷，即與荷蘭合作的低頻射電探測儀，用於探測來自太陽系內天體和銀河系的 0.1~80 MHz低頻射電輻射，為未來太陽系外的行星射電探測提供重要的參考依據。

「嫦娥3號」相機拍攝的月球表面環境，遠處有一個撞擊坑

來源：中科院國家天文台

利用剩餘空間，「嫦娥4號」還將進行幾項搭載試驗項目，主要有以下幾項：

1） 月球軌道超長波天文觀測微衛星(以下簡稱微衛星)；

2） 月面微型生態圈科普載荷；

3） 月球中繼激光測距項目；

以下逐項簡單介紹

1） 月球軌道超長波天文觀測微衛星

2018年5月21日發射中繼衛星「鵲橋」時，利用CZ-4C運載火箭剩餘的運力，搭載發射了兩顆由哈工大研製的微衛星，分別命名為「龍江一號」和「龍江二號」。兩顆微衛星分別搭載一台超長波探測儀，在月球軌道進行深空編隊飛行關鍵技術演示驗證，開展超長波天文干涉測量，進行超長波全天空圖像獲取、射電頻譜測量、太陽和系內行星超長波射電活動觀測等探索性研究。

其中一顆微衛星還搭載了一台沙烏地阿拉伯研製的微型光學相機，開展地月空間成像。遺憾的是，其中一顆小衛星「龍江一號」在抵達月球軌道時出現故障，未能實現計劃中的編隊觀測。但「龍江二號」傳回了中國版的「地球升起」照片，很是精美。

哈工大研製的兩顆小衛星在月球軌道編隊飛行示意圖

來源：吳偉仁，王瓊等，深空探測學報，2017年4月

整裝待發的「龍江」小衛星，黑龍江研製

來源：新華社

2）月面微型生態圈科普載荷

在著陸器上搭載了一個重量大約3 kg的月面微型生態圈，內含植物種子及昆蟲卵，構成簡單生態系統，驗證在月面太陽自然光照條件下植物的光合作用原理，觀測月面低重力條件下動植物的生長狀況，積累構建太空生命保障系統的技術與經驗，並向公眾普及生物學知識。這也是人類第一次在月亮上做這樣的生物學實驗，對於探索以後人類在月球生活的一些問題具有意義。

微型生態圈搭載的生物物種暫定為馬鈴薯種子和家蠶卵（似乎還有擬南芥Arabidopsis）。採用圈柱式結構，通過頂部10 mm直徑的光導管將太陽光引入設備內部，提供植物生長所需能源；採用聚酯薄膜保溫層和半導體冷熱片，實現載荷內部溫度控制；採用著陸器供電與鋰硫特種電池，協同實現晝夜連續供電。通過內置攝像頭對生物生長過程進行圖像拍攝並傳回地面。

由「龍江二號」小衛星搭載，沙烏地阿拉伯阿卜杜勒國王科技城研製的相機拍攝的「地球升起」畫面

來源：央視網

中國和沙特兩國高層出席沙特相機回傳圖像的發布儀式

來源：央視網

3）月球中繼激光測距

在中繼星上搭載1.6 kg重的單體17 cm大孔徑中空角錐反射鏡，配合地面0.5m口徑激光發射望遠鏡和1 m口徑激光接收望遠鏡，進行月球和中繼星之間的激光測距，預計單程測距誤差優於15 mm。

該項目將實現國際首次超過地月距離下的純反射式激光測距實驗，為「嫦娥4號」中繼星提供軌道校驗數據，並為未來月球激光測距科學實驗和下一代月球激光反射器研製提供技術驗證。在此之前，我們只在美國和蘇聯的探測器上實現過地月距離上的激光測距。

「嫦娥4號」中繼星搭載，用於激光測距實驗的角反射鏡設計圖

來源：吳偉仁，王瓊等，深空探測學報，2017年4月

好了，今天就先說到這裡，接下來幾天，請大家和老嚴一起，期待我們國家航天領域這一重要一步，期待人類探測器首次實現月球背面軟著陸的消息。

關於老嚴：

棲居上海一隅，洞察宇宙風雲

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