4月11日

　　以色列首顆月球着陸器未能如其名字“創世紀”（Beresheet）一樣，創造由私人出資建造的探測器成功實現月球軟着陸的歷史——在着陸的最後時刻，“創世紀”因主發動機故障在月球表面墜毀，着陸任務功虧一簣。

　　“創世紀”在着陸機動過程中拍下的自拍照，當時距月面約22公里。探測器所帶牌匾上有以色列國旗

　　“登月”

　　不是一件容易的事

　　目前只有前蘇聯、美國、中國

　　三個國家成功將探測器送上了月球

　　接下來就讓我們一起回顧

　　嫦娥四號登月時

　　我們都做了些什麼

　　2019年1月3日10時26分，飛行了26天的嫦娥四號成功着陸於月球背面177.6°E、45.5°S附近的預選着陸區——月球南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin）內的馮· 卡門撞擊坑（Von Karman Crater），並通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，成爲世界第一個在月球背面軟着陸和巡視探測的航天器，並實現首次月背與地球的數據中繼通信。

　　人類首次探測器月揹着陸過程

　　嫦娥四號整個飛行過程包括髮射入軌段、地月轉移段、近月制動段、環月飛行段、環月降軌段、動力下降段，最終着陸到月球背面。期間，着陸器和巡視器組合體通過“鵲橋”中繼星與地面建立上下行通信鏈路。着陸成功後，着陸器擇機完成了巡視器釋放分離和兩器互拍。接着，着陸器、巡視器分別開展科學探測，並通過“鵲橋”將數據傳回地球。

　　嫦娥四號飛行過程

　　2018年12月12日16時39分，嫦娥四號在距月面129千米處成功實施了7500牛發動機點火，約5分鐘後發動機正常關機，嫦娥四號順利進入近月點100千米的環月軌道，近月制動獲得圓滿成功。

　　2018年12月30日8時55分，嫦娥四號又實施“太空剎車”，在距月面平均高度約100千米的環月軌道成功變軌，降軌進入近月點高度約15千米、遠月點高度約100千米的橢圓形環月軌道，這是預定的在月球背面着陸的準備軌道，爲擇機動力下降着陸做準備。

　　嫦娥四號整個動力下降過程分爲6個階段：主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段和緩速下降段。

　　2019年1月3日10時15分，嫦娥四號從距離月面15千米處開始實施動力下降，7500牛變推力發動機開機，逐步將探測器的速度從相對月球1.7千米/每秒降到零。

　　在距月面約６-8千米處，探測器進行快速姿態調整，不斷接近月球；在距月面100米處開始懸停，對障礙物和坡度進行識別，並自主避障；選定相對平坦的區域後，開始緩速垂直下降。

　　動力下降約690秒後，嫦娥四號自主着陸在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內。落月過程中，降落相機拍攝了多張着陸區域影像圖。

　　艾特肯盆地的馮·卡門隕石坑直徑達180千米

　　落月後，在地面控制下，通過“鵲橋”中繼星的中繼通信鏈路，嫦娥四號探測器進行了太陽翼和定向天線展開等多項工作，建立了定向天線高碼速率鏈路。

　　11時40分，着陸器上的監視C相機獲取了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖並傳回地面。接着，按計劃開展了着陸器與巡視器分離的各項準備工作，對“鵲橋”中繼星狀態、着陸點環境參數、設備狀態、太陽入射角度等兩器分離的實施條件，進行了最終檢查確認。

　　1月3日15時07分，北京航天飛行控制中心通過“鵲橋”中繼星向嫦娥四號探測器發送指令，兩器分離開始。嫦娥四號着陸器矗立月面，太陽翼呈展開狀態。巡視器立於着陸器頂部，展開太陽翼，伸出桅杆。隨後，嫦娥四號着陸器與玉兔二號月球車順利分離，巡視器開始向轉移機構緩慢移動。轉移機構正常解鎖，在着陸器與月面之間搭起一架斜梯，巡視器沿着斜梯緩緩走向月面。

　　1月3日22時22分，玉兔二號駛抵月球表面。着陸器上監視相機拍攝到玉兔二號在月背留下第一道痕跡的影像圖，並通過“鵲橋”中繼星順利傳回地面。

　　嫦娥四號的着陸方式與工作狀態跟嫦娥三號有很大區別，性能上有很大提升，這是因爲嫦娥三號着陸區地形起伏僅800米，相當於在華北平原着陸，而嫦娥四號着陸區地形起伏達到6000米，相當於在崇山峻嶺的雲貴川地區着陸。

　　月球正面有較爲寬闊的平原，雖然也有許多隕石坑，但即使是坑底也相對平整，所以嫦娥三號是以弧形軌跡緩慢着陸。

　　月球背面地形相比正面更加複雜，着陸區相當於嫦娥三號着陸區的1/8，隕石坑更多，大坑套小坑，地勢更陡峭，山峯林立，很難找出再大一些、平坦一些的地方供嫦娥四號安身。由於嫦娥四號要在凸凹不平的地方軟着陸，所以需要具有比嫦娥三號更高的着陸精度。嫦娥四號落區有海拔10千米高的山，落在凹地海拔負6千米處。爲了不撞到峭壁，嫦娥四號需具備很高的自主導航和避障功能，以便自主尋找地勢相對平坦的地區進行着陸，並只能採取近乎垂直的着陸方式，而且着陸時間短，航程短，風險高。

　　着陸區變化對任務的影響主要有：動力下降航跡的高程差變大，制導導航與控制（GNC）需優化動力下降策略；着陸區範圍縮小，探測器應具備高精度着陸控制策略；可能存在地形對通信和光照的遮擋，探測器需具備更強的自主功能。另外，嫦娥四號與地面交流需要通過“鵲橋”中繼星中轉，其間會產生約60秒的延時，這對於瞬息萬變的降落過程顯然太久，因此落月全程需要由它自主完成。

　　月球背面着陸的科學意義

　　爲何要把嫦娥四號落到月球背面進行探測呢？目前全球已進行過約130多次探月活動，包括用探測器撞擊過月球背面，但是從來沒有一個探測器實現過在月球背面進行軟着陸。此前通過大量的繞月探測器，人類瞭解到月球背面與正面存在很大差異。月球背面顏色較亮，月陸居多，具有不同於月球正面的地質構造，多“山”多“谷”，撞擊坑分佈密度也比正面高，地形更崎嶇，因此對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。

　　嫦娥四號任務的工程目標主要有兩個：研製、發射月球中繼通信衛星，實現國際首次地月L2點的測控及中繼通信；研製、發射月球着陸器和巡視器，實現國際首次月球背面軟着陸和巡視探測。

　　其科學目標主要有三個：開展月球背面低頻射電天文觀測與研究；開展月球背面巡視區形貌、礦物組份及月表淺層結構探測與研究；試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。

　　在人類歷史上首次利用月球背面潔淨的電磁環境進行月基低頻射電天文觀測是嫦娥四號探測任務的最大亮點。由於受到地球電離層的幹擾，在地球上難以開展頻率低於10兆赫的射電天文觀測，在地球軌道甚至月球正面開展的空間射電天文觀測也受到地球電離層反射和人工無線電的幹擾。

　　因此，分別在嫦娥四號着陸器和“鵲橋”中繼星上新增配置了國內新研製的低頻射電頻譜儀及荷蘭的低頻射電探測儀，用於開展頻率範圍在10兆赫附近的低頻射電天文觀測，填補人類在0.1-40兆赫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的產生機理等方面取得原創性的成果。

　　探測兩器載荷

　　作爲嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍由着陸器和巡視器（即玉兔二號月球車）組成，但是因爲嫦娥四號與嫦娥三號的科學目標不同，因此兩者所裝載的科學載荷有明顯變化。嫦娥四號任務的“兩器一星”上共配置了6臺國內研製的科學載荷和3臺國際科學載荷。它們開展以低頻射電天文觀測、巡視區形貌、礦物組份及淺層結構爲主的科學探測。

　　相比於嫦娥三號在長月夜-180℃的環境中不能工作的情況，嫦娥四號將採取新的能源供給方式——同位素溫差發電與熱電綜合利用技術，以保證其度過寒冷漫長的月夜及正常開展探測工作，在國內首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。

　　與嫦娥三號着陸器相比，嫦娥四號着陸器增加了3根5米長的低頻射電頻譜儀天線

　　載荷方面最主要的特點是加裝了國際科學載荷。在嫦娥四號着陸器上裝載了德國的月表中子與輻射劑量探測儀（LND）。它能測量能量中性粒子輻射和着陸器附近月壤中的相關物質含量，即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，以及月錶快中子能譜和熱中子通量，探測着陸區的輻射劑量，分析月球遠側的輻射環境，爲未來的載人登月航天員的危險度進行前期評估，提供相應輻射防護的依據。

　　在玉兔二號月球車上加裝了瑞典的中性原子探測儀（ASAN），能探測巡視探測點0.01-10千電子伏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。它對於研究太陽風與月表相互作用機制、月表逃逸層的形成和維持機制等關鍵科學問題有着重要意義。這也是人類探月史上首次在月表開展該項探測活動。

　　嫦娥四號着陸器

　　嫦娥四號着陸器重3.78噸，設計壽命6個月。其上的有效載荷與嫦娥三號着陸器上的類似，仍裝有降落相機、地形地貌相機，但增加了國內新研發的低頻射電頻譜儀以及德國的月表中子與輻射劑量探測儀，去掉了嫦娥三號的月基光學望遠鏡、極紫外相機。裝有3根5米長的低頻射電頻譜儀天線，是嫦娥四號着陸器與嫦娥三號着陸器外形上最顯著的區別。

　　嫦娥四號月球車俯視

　　低頻射電頻譜儀將利用月球背面沒有地球電磁波幹擾，天然潔淨的環境，探測0.1-40兆赫範圍內的太陽低頻射電特徵和月表射電環境。另外，還會與“鵲橋”中繼星上攜帶的荷蘭低頻射電探測儀（用於探測來自太陽系內天體和銀河系的0.1-80兆赫低頻射電輻射，爲未來太陽系外的行星射電探測提供重要的參考依據）協同觀測，互爲驗證和補充。它們用於研究太陽爆發、着陸區上空的月球空間環境，還可以對來自太陽系行星的低頻射電場進行觀測，並聆聽來自宇宙更深處的“聲音”。

　　降落相機用於着陸器在2千米-4米高降落過程中動態拍攝着陸區域的光學圖像，從而分析着陸區月表地形地貌和地質情況。它僅在着陸過程中使用。

　　此圖爲嫦娥四號探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像

　　地形地貌相機用於獲取着陸區月表的光學成像，繪製着陸區地形、地貌圖，並時刻關注着月球車的運行狀況。

　　玉兔二號月球車

　　玉兔二號月球車高1.5米，重135千克，設計壽命3個月，可以爬20°坡，跨越200毫米的障礙。玉兔二號月球車雖與嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車外形和重量一樣，是全球目前重量最小的月球車，但由於它是首次在月球背面軟着陸和巡視，因此針對月球背面複雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學目標的實際需要等因素，玉兔二號月球車進行了適應性更改和有效載荷配置調整，在運動安全、能源供給、科學探測和測控通信等方面均做了特殊的設計。尤其在線路方面進行了設計改進和試驗驗證，使它更強大，既不怕極熱極冷的“廣寒宮”，又能完成更多新任務。

　　玉兔二號月球車還吸收了嫦娥三號玉兔號的經驗，針對玉兔號在執行任務過程中遇到的一些問題，有針對性地進行了電纜設計與材料應用等技術的改進和試驗。玉兔二號月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗，同時也儘量減少電纜裸露在外的面積，減少電纜的故障風險。其上仍裝有全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀，同時也增加了瑞典的中性原子探測儀，去掉了嫦娥三號的粒子激發X射線譜儀。因此，玉兔二號月球車也就不需要機器臂了，從而比玉兔號月球車輕了2千克，是世界探月史上最輕的月球車。

　　全景相機可拍彩色立體圖像，獲取巡視區的月表圖像。相機裝在桅杆上，可360°旋轉和90°俯仰拍攝周邊圖像，隨時瞭解前方有沒有障礙等，做出所需的“決策”。其成像方式爲彩色成像與全色成像切換。

　　測月雷達裝在月球車底部，在巡視過程中直接探測月表下的月壤厚度和月殼淺層結構。該測月雷達設置了兩個不同頻段，藉助其探測出的數據，研究人員可以繪製出第一幅月球背面剖面圖。其探測深度爲月球地下50米左右，而實際深度有望到達200多米，有助於月球背面的地質研究。

　　紅外成像光譜儀能探測從可見近紅外到短波紅外的高分辨率反射光譜及圖像，用於獲取巡視探測點的月表光譜數據和幾何圖像數據，調查巡視區月表礦物組成和分佈分析，開展巡視區能源和礦產資源的綜合研究。

　　有趣的微型生態圈

　　嫦娥四號着陸器上還有一個科普載荷——月面微型生態圈，由重慶大學牽頭研製，首次嘗試研究動植物在月球低重力環境下的生長狀況，用於天體生物學實驗和大衆科普。

　　月面微型生態圈是一個由特殊鋁合金材料製成的圓柱形罐子，高18釐米，直徑16釐米，淨容積約0.8升，總重量3千克。這個小罐子裏放置了馬鈴薯、擬南芥、棉花、油菜等6種生物以及、土壤、水、營養液、空氣、微型相機和信息傳輸系統等科研設備，構成了簡單生態系統。

　　月面微型生態圈裝置

　　它採用圈柱式結構，通過頂部10毫米直徑的光導管將太陽光引入罐子裏，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；採用着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。

　　在月面微型生態圈的運行中，馬鈴薯和擬南芥光合作用產生的碳水化合物和氧氣，可以供蠶呼吸；而蠶在生長過程中產生的二氧化碳和糞便又可以作爲馬鈴薯和擬南芥的養料。如此，一個小小的生態循環就形成了。

　　在預計100天的實驗期裏，科學家們希望能夠實現動植物的一個生命週期：在100天內，馬鈴薯和擬南芥將會生根發芽，開出月球上的第一朵花。

　　此前，航天員曾在國際空間站種過植物，而中國的航天員也曾在天宮二號空間實驗室裏培養過水稻和擬南芥，但那些實驗都是在離地面約400千米的近地軌道上進行的，和距離地球38萬千米的月球上的環境有很大不同。這項實驗的成功，對人類未來在地外星球生存具有重大意義，將爲人類在月球上建立基地和長期居住積累知識。

　　嫦娥四號任務特點鮮明，預期成果顯著，將是一次低成本、短週期、大開放、高效益的示範性空間探測任務，有望實現三大“壯舉”：首次實現人類探測器造訪月球背面；首次實現人類航天器在地月L2點對地月中繼通信；爲科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，獲得一批重大的原創性科學研究成果。

　　嫦娥四號任務完成後，我國將在2019年執行探月三期任務，發射嫦娥五號採樣返回器，它由上升器、着陸器、軌道器、返回器四個部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。

　　此後，我國探月工程將實施第四期工程，主要任務包括開展以機器人爲代表的月球南北極探測，月球背面採樣返回，然後建立無人的月球科考站。最終，我國將實現載人登月的宏偉目標。

　　文/龐之浩