4月11日

　　以色列首颗月球着陆器未能如其名字“创世纪”（Beresheet）一样，创造由私人出资建造的探测器成功实现月球软着陆的历史——在着陆的最后时刻，“创世纪”因主发动机故障在月球表面坠毁，着陆任务功亏一篑。

　　“创世纪”在着陆机动过程中拍下的自拍照，当时距月面约22公里。探测器所带牌匾上有以色列国旗

　　“登月”

　　不是一件容易的事

　　目前只有前苏联、美国、中国

　　三个国家成功将探测器送上了月球

　　接下来就让我们一起回顾

　　嫦娥四号登月时

　　我们都做了些什么

　　2019年1月3日10时26分，飞行了26天的嫦娥四号成功着陆于月球背面177.6°E、45.5°S附近的预选着陆区——月球南极-艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin）内的冯· 卡门撞击坑（Von Karman Crater），并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，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数据中继通信。

　　人类首次探测器月揹着陆过程

　　嫦娥四号整个飞行过程包括发射入轨段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、环月降轨段、动力下降段，最终着陆到月球背面。期间，着陆器和巡视器组合体通过“鹊桥”中继星与地面建立上下行通信链路。着陆成功后，着陆器择机完成了巡视器释放分离和两器互拍。接着，着陆器、巡视器分别开展科学探测，并通过“鹊桥”将数据传回地球。

　　嫦娥四号飞行过程

　　2018年12月12日16时39分，嫦娥四号在距月面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，嫦娥四号顺利进入近月点100千米的环月轨道，近月制动获得圆满成功。

　　2018年12月30日8时55分，嫦娥四号又实施“太空刹车”，在距月面平均高度约100千米的环月轨道成功变轨，降轨进入近月点高度约15千米、远月点高度约100千米的椭圆形环月轨道，这是预定的在月球背面着陆的准备轨道，为择机动力下降着陆做准备。

　　嫦娥四号整个动力下降过程分为6个阶段：主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。

　　2019年1月3日10时15分，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６-8千米处，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。

　　动力下降约690秒后，嫦娥四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。

　　艾特肯盆地的冯·卡门陨石坑直径达180千米

　　落月后，在地面控制下，通过“鹊桥”中继星的中继通信链路，嫦娥四号探测器进行了太阳翼和定向天线展开等多项工作，建立了定向天线高码速率链路。

　　11时40分，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。接着，按计划开展了着陆器与巡视器分离的各项准备工作，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，进行了最终检查确认。

　　1月3日15时07分，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。嫦娥四号着陆器矗立月面，太阳翼呈展开状态。巡视器立于着陆器顶部，展开太阳翼，伸出桅杆。随后，嫦娥四号着陆器与玉兔二号月球车顺利分离，巡视器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时22分，玉兔二号驶抵月球表面。着陆器上监视相机拍摄到玉兔二号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。

　　嫦娥四号的着陆方式与工作状态跟嫦娥三号有很大区别，性能上有很大提升，这是因为嫦娥三号着陆区地形起伏仅800米，相当于在华北平原着陆，而嫦娥四号着陆区地形起伏达到6000米，相当于在崇山峻岭的云贵川地区着陆。

　　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，所以嫦娥三号是以弧形轨迹缓慢着陆。

　　月球背面地形相比正面更加复杂，着陆区相当于嫦娥三号着陆区的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、平坦一些的地方供嫦娥四号安身。由于嫦娥四号要在凸凹不平的地方软着陆，所以需要具有比嫦娥三号更高的着陆精度。嫦娥四号落区有海拔10千米高的山，落在凹地海拔负6千米处。为了不撞到峭壁，嫦娥四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。

　　着陆区变化对任务的影响主要有：动力下降航迹的高程差变大，制导导航与控制（GNC）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。另外，嫦娥四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。

　　月球背面着陆的科学意义

　　为何要把嫦娥四号落到月球背面进行探测呢？目前全球已进行过约130多次探月活动，包括用探测器撞击过月球背面，但是从来没有一个探测器实现过在月球背面进行软着陆。此前通过大量的绕月探测器，人类了解到月球背面与正面存在很大差异。月球背面颜色较亮，月陆居多，具有不同于月球正面的地质构造，多“山”多“谷”，撞击坑分布密度也比正面高，地形更崎岖，因此对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。

　　嫦娥四号任务的工程目标主要有两个：研制、发射月球中继通信卫星，实现国际首次地月L2点的测控及中继通信；研制、发射月球着陆器和巡视器，实现国际首次月球背面软着陆和巡视探测。

　　其科学目标主要有三个：开展月球背面低频射电天文观测与研究；开展月球背面巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构探测与研究；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。

　　在人类历史上首次利用月球背面洁净的电磁环境进行月基低频射电天文观测是嫦娥四号探测任务的最大亮点。由于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，在地球轨道甚至月球正面开展的空间射电天文观测也受到地球电离层反射和人工无线电的干扰。

　　因此，分别在嫦娥四号着陆器和“鹊桥”中继星上新增配置了国内新研制的低频射电频谱仪及荷兰的低频射电探测仪，用于开展频率范围在10兆赫附近的低频射电天文观测，填补人类在0.1-40兆赫射电天文观测的空白，有望在太阳风激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性的成果。

　　探测两器载荷

　　作为嫦娥三号的备份，嫦娥四号仍由着陆器和巡视器（即玉兔二号月球车）组成，但是因为嫦娥四号与嫦娥三号的科学目标不同，因此两者所装载的科学载荷有明显变化。嫦娥四号任务的“两器一星”上共配置了6台国内研制的科学载荷和3台国际科学载荷。它们开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。

　　相比于嫦娥三号在长月夜-180℃的环境中不能工作的情况，嫦娥四号将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，以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。

　　与嫦娥三号着陆器相比，嫦娥四号着陆器增加了3根5米长的低频射电频谱仪天线

　　载荷方面最主要的特点是加装了国际科学载荷。在嫦娥四号着陆器上装载了德国的月表中子与辐射剂量探测仪（LND）。它能测量能量中性粒子辐射和着陆器附近月壤中的相关物质含量，即测量月表包括带电粒子、γ射线和中子的综合粒子辐射剂量，以及月表快中子能谱和热中子通量，探测着陆区的辐射剂量，分析月球远侧的辐射环境，为未来的载人登月航天员的危险度进行前期评估，提供相应辐射防护的依据。

　　在玉兔二号月球车上加装了瑞典的中性原子探测仪（ASAN），能探测巡视探测点0.01-10千电子伏能量范围内的能量中性原子及正离子，这将是国际首次在月表开展能量中性原子探测。它对于研究太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题有着重要意义。这也是人类探月史上首次在月表开展该项探测活动。

　　嫦娥四号着陆器

　　嫦娥四号着陆器重3.78吨，设计寿命6个月。其上的有效载荷与嫦娥三号着陆器上的类似，仍装有降落相机、地形地貌相机，但增加了国内新研发的低频射电频谱仪以及德国的月表中子与辐射剂量探测仪，去掉了嫦娥三号的月基光学望远镜、极紫外相机。装有3根5米长的低频射电频谱仪天线，是嫦娥四号着陆器与嫦娥三号着陆器外形上最显著的区别。

　　嫦娥四号月球车俯视

　　低频射电频谱仪将利用月球背面没有地球电磁波干扰，天然洁净的环境，探测0.1-40兆赫范围内的太阳低频射电特征和月表射电环境。另外，还会与“鹊桥”中继星上携带的荷兰低频射电探测仪（用于探测来自太阳系内天体和银河系的0.1-80兆赫低频射电辐射，为未来太阳系外的行星射电探测提供重要的参考依据）协同观测，互为验证和补充。它们用于研究太阳爆发、着陆区上空的月球空间环境，还可以对来自太阳系行星的低频射电场进行观测，并聆听来自宇宙更深处的“声音”。

　　降落相机用于着陆器在2千米-4米高降落过程中动态拍摄着陆区域的光学图像，从而分析着陆区月表地形地貌和地质情况。它仅在着陆过程中使用。

　　此图为嫦娥四号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像

　　地形地貌相机用于获取着陆区月表的光学成像，绘制着陆区地形、地貌图，并时刻关注着月球车的运行状况。

　　玉兔二号月球车

　　玉兔二号月球车高1.5米，重135千克，设计寿命3个月，可以爬20°坡，跨越200毫米的障碍。玉兔二号月球车虽与嫦娥三号携带的玉兔号月球车外形和重量一样，是全球目前重量最小的月球车，但由于它是首次在月球背面软着陆和巡视，因此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，玉兔二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。

　　玉兔二号月球车还吸收了嫦娥三号玉兔号的经验，针对玉兔号在执行任务过程中遇到的一些问题，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。玉兔二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。其上仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪，同时也增加了瑞典的中性原子探测仪，去掉了嫦娥三号的粒子激发X射线谱仪。因此，玉兔二号月球车也就不需要机器臂了，从而比玉兔号月球车轻了2千克，是世界探月史上最轻的月球车。

　　全景相机可拍彩色立体图像，获取巡视区的月表图像。相机装在桅杆上，可360°旋转和90°俯仰拍摄周边图像，随时了解前方有没有障碍等，做出所需的“决策”。其成像方式为彩色成像与全色成像切换。

　　测月雷达装在月球车底部，在巡视过程中直接探测月表下的月壤厚度和月壳浅层结构。该测月雷达设置了两个不同频段，借助其探测出的数据，研究人员可以绘制出第一幅月球背面剖面图。其探测深度为月球地下50米左右，而实际深度有望到达200多米，有助于月球背面的地质研究。

　　红外成像光谱仪能探测从可见近红外到短波红外的高分辨率反射光谱及图像，用于获取巡视探测点的月表光谱数据和几何图像数据，调查巡视区月表矿物组成和分布分析，开展巡视区能源和矿产资源的综合研究。

　　有趣的微型生态圈

　　嫦娥四号着陆器上还有一个科普载荷——月面微型生态圈，由重庆大学牵头研制，首次尝试研究动植物在月球低重力环境下的生长状况，用于天体生物学实验和大众科普。

　　月面微型生态圈是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形罐子，高18厘米，直径16厘米，净容积约0.8升，总重量3千克。这个小罐子里放置了马铃薯、拟南芥、棉花、油菜等6种生物以及、土壤、水、营养液、空气、微型相机和信息传输系统等科研设备，构成了简单生态系统。

　　月面微型生态圈装置

　　它采用圈柱式结构，通过顶部10毫米直径的光导管将太阳光引入罐子里，提供植物生长所需能源；采用聚酯薄膜保温层和半导体冷热片，实现载荷内部温度控制；采用着陆器供电与锂硫特种电池，协同实现昼夜连续供电。通过内置摄像头对生物生长过程进行图像拍摄并传回地面。

　　在月面微型生态圈的运行中，马铃薯和拟南芥光合作用产生的碳水化合物和氧气，可以供蚕呼吸；而蚕在生长过程中产生的二氧化碳和粪便又可以作为马铃薯和拟南芥的养料。如此，一个小小的生态循环就形成了。

　　在预计100天的实验期里，科学家们希望能够实现动植物的一个生命周期：在100天内，马铃薯和拟南芥将会生根发芽，开出月球上的第一朵花。

　　此前，航天员曾在国际空间站种过植物，而中国的航天员也曾在天宫二号空间实验室里培养过水稻和拟南芥，但那些实验都是在离地面约400千米的近地轨道上进行的，和距离地球38万千米的月球上的环境有很大不同。这项实验的成功，对人类未来在地外星球生存具有重大意义，将为人类在月球上建立基地和长期居住积累知识。

　　嫦娥四号任务特点鲜明，预期成果显著，将是一次低成本、短周期、大开放、高效益的示范性空间探测任务，有望实现三大“壮举”：首次实现人类探测器造访月球背面；首次实现人类航天器在地月L2点对地月中继通信；为科学工作者提供月球背面空间科学研究平台，获得一批重大的原创性科学研究成果。

　　嫦娥四号任务完成后，我国将在2019年执行探月三期任务，发射嫦娥五号采样返回器，它由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分组成，完成探月工程的重大跨越——带回2千克月球样品。

　　此后，我国探月工程将实施第四期工程，主要任务包括开展以机器人为代表的月球南北极探测，月球背面采样返回，然后建立无人的月球科考站。最终，我国将实现载人登月的宏伟目标。

　　文/庞之浩