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這一刻(ke)，注定要在人(ren)類(lei)的(de)太空探索史上留下(xia)濃墨重彩的(de)一筆。3日，飛行(xing)約40萬公里之(zhi)后(hou)，嫦娥(e)四號探測器(qi)成功降落于(yu)月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)背(bei)面(mian)東經177.6度、南緯(wei)45.5度附近的(de)預選著陸(lu)(lu)區，實現了人(ren)類(lei)探測器(qi)首次月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)背(bei)面(mian)軟著陸(lu)(lu)和首次月(yue)(yue)背(bei)與(yu)地球(qiu)(qiu)的(de)中(zhong)繼通信，開(kai)啟了月(yue)(yue)球(qiu)(qiu)探測的(de)新篇章(zhang)。

“嫦娥四號原來是嫦娥三號的(de)(de)備份星(xing)，三號成功后備份轉正(zheng)份，那么第(di)二次著(zhu)陸(lu)要選擇哪里？我們認為(wei)應(ying)該賦予四號更強的(de)(de)生命力和(he)更多(duo)功能(neng)。從上世紀50年代(dai)開始，發射(she)到月球(qiu)(qiu)的(de)(de)探測器和(he)軌道(dao)器已經有100多(duo)個(ge)，但都是對月球(qiu)(qiu)正(zheng)面的(de)(de)探測，至今沒(mei)有任(ren)何(he)一個(ge)月球(qiu)(qiu)探測器能(neng)夠實現在月球(qiu)(qiu)背(bei)面軟著(zhu)陸(lu)。因此，經過(guo)反復論證，最終(zhong)確定(ding)了嫦娥四號月球(qiu)(qiu)背(bei)面軟著(zhu)陸(lu)和(he)巡視(shi)探測的(de)(de)總(zong)體方案。”中國探月工(gong)程總(zong)設計師(shi)、中國工(gong)程院院士吳偉仁解釋了嫦娥四號任(ren)務的(de)(de)由來。

中(zhong)國航天(tian)科技集(ji)團五(wu)院嫦娥四號探測(ce)器系(xi)統(tong)總設計(ji)師(shi)孫(sun)澤洲說，嫦娥四號任務實際上是“兩器一(yi)星”，包括了(le)著陸器、巡(xun)視(shi)器和“鵲橋”中(zhong)繼星，其中(zhong)先期發射的中(zhong)繼星就是為了(le)實現對地(di)(di)、對月的中(zhong)繼通信，而(er)巡(xun)視(shi)器更多地(di)(di)被人們稱為“月球車”。

月背任務克三難

由于月(yue)球繞地球公轉(zhuan)的(de)周(zhou)期(qi)(qi)與月(yue)球自轉(zhuan)的(de)周(zhou)期(qi)(qi)相同，所以月(yue)球總有一面(mian)(mian)(mian)(mian)背(bei)(bei)(bei)對(dui)著地球，這一面(mian)(mian)(mian)(mian)被稱為(wei)月(yue)球背(bei)(bei)(bei)面(mian)(mian)(mian)(mian)。正(zheng)因(yin)為(wei)背(bei)(bei)(bei)對(dui)地球，要在月(yue)球背(bei)(bei)(bei)面(mian)(mian)(mian)(mian)實現軟著陸，探測(ce)器(qi)與地球的(de)測(ce)控(kong)通信和數據傳輸成為(wei)首先要解決的(de)難題。此外，月(yue)球背(bei)(bei)(bei)面(mian)(mian)(mian)(mian)并不像(xiang)正(zheng)面(mian)(mian)(mian)(mian)那樣平坦，著陸區的(de)選擇及精準著陸也(ye)是(shi)難題。

在兩位總設計師看來(lai)，嫦娥四號任(ren)務的技術難點(dian)主要體現在3個方面。

首先是地月L2點軌道(dao)的精確設計與(yu)控制(zhi)，要使中繼星穩定運行在L2點的軌道(dao)上。

其次是地(di)月(yue)L2點遠距離(li)的數據中繼。“選(xuan)擇L2點有(you)很多好(hao)處(chu)，但也有(you)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)，那就是距離(li)月(yue)球7.9萬(wan)公里(li)、距離(li)地(di)球4萬(wan)公里(li)，遙遠的距離(li)讓信號衰減的問題更棘(ji)手。地(di)月(yue)之(zhi)間通信、探測器(qi)的狀態控制(zhi)等，都要(yao)靠中繼星來保障，還要(yao)考慮到通信時間、測控時間的延遲(chi)，因此，中繼星的精準可靠至關(guan)重要(yao)。”孫澤洲解釋說。

第三是(shi)(shi)復(fu)雜(za)地(di)形的(de)(de)(de)(de)(de)安全著陸。吳偉仁(ren)打(da)了(le)個比方：“月(yue)球正面就(jiu)相當于(yu)我(wo)國的(de)(de)(de)(de)(de)大平原，地(di)勢平坦；但背面就(jiu)有(you)點像我(wo)國的(de)(de)(de)(de)(de)西南山(shan)區(qu)，到處都是(shi)(shi)高山(shan)和撞(zhuang)(zhuang)擊坑，月(yue)背可供(gong)選擇的(de)(de)(de)(de)(de)著陸區(qu)范圍(wei)只有(you)正面的(de)(de)(de)(de)(de)1/8。嫦(chang)娥(e)三號著陸時(shi)可供(gong)選擇的(de)(de)(de)(de)(de)區(qu)域范圍(wei)長(chang)約(yue)300公里(li)、寬約(yue)90公里(li)，而(er)嫦(chang)娥(e)四號只能在(zai)有(you)限的(de)(de)(de)(de)(de)相對大的(de)(de)(de)(de)(de)撞(zhuang)(zhuang)擊坑里(li)尋找相對平坦的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置作為著陸區(qu)，選擇范圍(wei)長(chang)寬各十幾公里(li)。此外，嫦(chang)娥(e)三號當時(shi)是(shi)(shi)斜(xie)著降落的(de)(de)(de)(de)(de)，嫦(chang)娥(e)四號如果也是(shi)(shi)斜(xie)著下來就(jiu)要撞(zhuang)(zhuang)山(shan)了(le)。在(zai)復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)形下，嫦(chang)娥(e)四號要近乎垂直(zhi)降落，著陸時(shi)間短(duan)、航程短(duan)，風(feng)險確實比較(jiao)大。”

精準落月有妙招

孫(sun)澤洲介紹，此次嫦(chang)娥(e)四號的落月可以說是(shi)“正中靶心(xin)”，嫦(chang)娥(e)四號全自主動(dong)力下降，通過慣性導航(hang)及(ji)與(yu)月面(mian)相對測(ce)量導航(hang)，按照既定制導率實現月球背面(mian)軟著陸。

與嫦娥三號(hao)相似(si)，嫦娥四(si)號(hao)探測器也經(jing)歷了點(dian)火準備(bei)、主減速段、快(kuai)速調整段、接近段、懸(xuan)停段、避障(zhang)段以及緩速下降段等(deng)動(dong)力下降過程(cheng)，實(shi)現從距離月(yue)面15公(gong)里高度安全下降至(zhi)月(yue)球表面的軟著陸。全過程(cheng)用時約690秒。不同(tong)之處在于，嫦娥四(si)號(hao)在15公(gong)里到(dao)8公(gong)里高度為傾(qing)斜(xie)下降，8公(gong)里之后就改為垂直向下，引入相對(dui)于月(yue)面的測量導航。孫澤洲解釋：“這樣就可以克服著陸區周邊地形起伏(fu)的問題。”

為(wei)了增加著陸的(de)安(an)全(quan)性，嫦(chang)(chang)娥四(si)號(hao)探測(ce)器(qi)(qi)會(hui)通過(guo)接(jie)力(li)避(bi)障(zhang)(zhang)(zhang)的(de)方(fang)式。下降(jiang)(jiang)至2公里左右(you)，探測(ce)器(qi)(qi)會(hui)做(zuo)一(yi)次光(guang)學的(de)初避(bi)障(zhang)(zhang)(zhang)，主(zhu)要識(shi)別大障(zhang)(zhang)(zhang)礙。下降(jiang)(jiang)至100米(mi)左右(you)，探測(ce)器(qi)(qi)會(hui)做(zuo)一(yi)個懸停，利用激(ji)光(guang)敏感器(qi)(qi)實現精避(bi)障(zhang)(zhang)(zhang)，識(shi)別0.2米(mi)障(zhang)(zhang)(zhang)礙、坡度等，通過(guo)地形的(de)最(zui)優識(shi)別方(fang)法找到(dao)安(an)全(quan)區(qu)(qu)域(yu)降(jiang)(jiang)落。嫦(chang)(chang)娥四(si)號(hao)的(de)自主(zhu)能力(li)有(you)很大提升，“如(ru)果找不到(dao)安(an)全(quan)區(qu)(qu)域(yu)，嫦(chang)(chang)娥四(si)號(hao)會(hui)選(xuan)擇相對次優的(de)區(qu)(qu)域(yu)，還(huan)可(ke)以做(zuo)水平機動調整。”

著陸地點費思量

嫦娥(e)四號的(de)首選著陸(lu)地點，是位于(yu)月球背(bei)面(mian)南極—艾特(te)肯盆地中部的(de)馮·卡(ka)門(men)撞擊(ji)坑。為什么選擇這里？

孫澤洲解釋說，月(yue)面不同緯(wei)(wei)(wei)度(du)(du)(du)(du)所(suo)面臨(lin)的(de)熱控和能源設計是相互(hu)約束、相對矛盾的(de)。如果降(jiang)落(luo)到低緯(wei)(wei)(wei)度(du)(du)(du)(du)地區，光照(zhao)條件好、能源獲(huo)得充足，但(dan)對于熱控是巨大(da)的(de)挑戰(zhan)；如果降(jiang)落(luo)在高緯(wei)(wei)(wei)度(du)(du)(du)(du)地區，熱控壓力大(da)大(da)減(jian)少，但(dan)太陽(yang)能獲(huo)取又受到影響(xiang)。綜合考慮多種(zhong)因(yin)素，嫦娥三號按照(zhao)中高緯(wei)(wei)(wei)度(du)(du)(du)(du)降(jiang)落(luo)來進行設計，嫦娥四號在月(yue)球(qiu)背(bei)面著陸的(de)緯(wei)(wei)(wei)度(du)(du)(du)(du)也(ye)確定在40度(du)(du)(du)(du)—50度(du)(du)(du)(du)的(de)范(fan)圍(wei)內。

此(ci)外，探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)與中繼星L2點(dian)的(de)通信問(wen)題也(ye)是考慮因素之一(yi)。“如果(guo)探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)仰(yang)角太低，勢必更容易受到(dao)周圍山地的(de)影響。我們希(xi)望探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)能夠高仰(yang)角對(dui)中繼星通信，這樣一(yi)來，經度(du)也(ye)大致確定(ding)了(le)，大的(de)區域范圍就(jiu)出現了(le)。同(tong)時還要選擇相對(dui)大一(yi)些(xie)、平坦一(yi)些(xie)的(de)撞擊坑，就(jiu)確定(ding)了(le)艾特肯盆(pen)地。”

艾特肯盆(pen)地是目前發(fa)現的(de)(de)(de)太陽(yang)系固(gu)體(ti)天體(ti)中(zhong)最大(da)最深的(de)(de)(de)盆(pen)地，直(zhi)徑大(da)約(yue)2500公(gong)里，深度(du)約(yue)12公(gong)里，90%的(de)(de)(de)面(mian)積都分布在(zai)月(yue)球背面(mian)。“盆(pen)地確定(ding)后，還要(yao)(yao)篩選(xuan)出有(you)特點(dian)的(de)(de)(de)撞(zhuang)擊坑(keng)作為(wei)著(zhu)(zhu)陸(lu)地點(dian)。同(tong)時考慮到備(bei)份窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)的(de)(de)(de)問(wen)題，選(xuan)擇的(de)(de)(de)著(zhu)(zhu)陸(lu)點(dian)附近要(yao)(yao)有(you)相(xiang)(xiang)鄰的(de)(de)(de)、條件合適(shi)的(de)(de)(de)撞(zhuang)擊坑(keng)。如果頭一天的(de)(de)(de)發(fa)射窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)沒能如期發(fa)射，要(yao)(yao)在(zai)第(di)二天發(fa)射，那么就要(yao)(yao)選(xuan)擇相(xiang)(xiang)鄰經度(du)13度(du)左(zuo)右的(de)(de)(de)撞(zhuang)擊坑(keng)作為(wei)備(bei)選(xuan)著(zhu)(zhu)陸(lu)區。”孫澤洲表示(shi)，綜(zong)合上述(shu)因(yin)素，最終確定(ding)馮(feng)·卡(ka)門和克雷地安撞(zhuang)擊坑(keng)分別作為(wei)主選(xuan)擇和備(bei)份著(zhu)(zhu)陸(lu)區。

落月成功(gong)后(hou)，孫(sun)澤洲表(biao)示，整(zheng)個過程完全按照預想(xiang)進行，著陸(lu)非(fei)常平穩(wen)，并(bing)且著陸(lu)位(wei)置就是最初設定的(de)理(li)想(xiang)著陸(lu)點。

技術創新多亮點

嫦娥四號(hao)突(tu)破(po)了一批重(zhong)大(da)關(guan)(guan)鍵(jian)技(ji)(ji)術(shu)，實現(xian)了“七大(da)創新”：實現(xian)世界(jie)首次(ci)月(yue)(yue)(yue)球背(bei)面軟(ruan)著陸(lu)與巡(xun)視探測(ce)，突(tu)破(po)月(yue)(yue)(yue)球背(bei)面復雜(za)地(di)(di)形地(di)(di)貌識別、高(gao)(gao)(gao)精度(du)自主著陸(lu)控制(zhi)與自主避(bi)障等(deng)(deng)(deng)技(ji)(ji)術(shu)；突(tu)破(po)高(gao)(gao)(gao)增益可展(zhan)開(kai)天線、地(di)(di)月(yue)(yue)(yue)拉格朗日L2點中繼(ji)軌道(dao)設計(ji)等(deng)(deng)(deng)關(guan)(guan)鍵(jian)技(ji)(ji)術(shu)；突(tu)破(po)強背(bei)景噪(zao)聲環境下空(kong)(kong)間(jian)低頻電場信號(hao)提取、空(kong)(kong)間(jian)低頻電磁波高(gao)(gao)(gao)靈敏度(du)接收等(deng)(deng)(deng)技(ji)(ji)術(shu)；突(tu)破(po)運載(zai)火(huo)箭(jian)多窗口、窄(zhai)寬度(du)軌道(dao)設計(ji)，組合(he)(he)導航濾波優化，氫氧動(dong)力(li)系統加注后推(tui)遲24小時發(fa)射等(deng)(deng)(deng)關(guan)(guan)鍵(jian)技(ji)(ji)術(shu)；突(tu)破(po)星載(zai)激(ji)光角(jiao)反射器研制(zhi)，國際首次(ci)開(kai)展(zhan)超地(di)(di)月(yue)(yue)(yue)距(ju)離的(de)反射式激(ji)光測(ce)距(ju)試(shi)驗(yan)；突(tu)破(po)寬溫變(bian)與高(gao)(gao)(gao)真空(kong)(kong)條(tiao)件下的(de)月(yue)(yue)(yue)表(biao)微型(xing)生態圈構造(zao)技(ji)(ji)術(shu)；首次(ci)開(kai)展(zhan)國際載(zai)荷搭載(zai)和聯合(he)(he)探測(ce)，完成月(yue)(yue)(yue)球中子(zi)及輻(fu)射劑量、中性原子(zi)分布等(deng)(deng)(deng)科學探測(ce)。

此外，嫦娥四號在技術(shu)上也進行(xing)了創新。

在(zai)軌(gui)道(dao)設計上，嫦娥四號(hao)更為精細化。“與嫦娥三號(hao)相(xiang)比，嫦娥四號(hao)著(zhu)陸(lu)時(shi)(shi)可選擇的面積有(you)限，因此必(bi)須提高著(zhu)陸(lu)精度。直接手段就是精細化軌(gui)道(dao)設計，能夠實現不(bu)同日期、不(bu)同窗口(kou)發射，都(dou)會定時(shi)(shi)定點(dian)著(zhu)陸(lu)在(zai)預想著(zhu)陸(lu)區(qu)。”孫澤洲說。

在著陸段(duan)的(de)(de)(de)制(zhi)導導航與(yu)控制(zhi)方面，孫澤(ze)洲介紹(shao)，因為(wei)嫦娥四號的(de)(de)(de)航跡中(zhong)(zhong)要經(jing)過很多撞擊坑(keng)、環形山等，因此對動力下(xia)降(jiang)過程(cheng)的(de)(de)(de)策略和(he)各個分段(duan)的(de)(de)(de)控制(zhi)目標都進(jin)行(xing)了(le)調(diao)整(zheng)，提(ti)高(gao)了(le)敏感器的(de)(de)(de)性能。同時(shi)在測控通(tong)(tong)信(xin)方面做了(le)技術調(diao)整(zheng)，既要適應(ying)對地球的(de)(de)(de)測控通(tong)(tong)信(xin)，在著陸過程(cheng)和(he)工作中(zhong)(zhong)還要和(he)中(zhong)(zhong)繼星通(tong)(tong)信(xin)，解(jie)(jie)調(diao)技術由原來的(de)(de)(de)模(mo)擬解(jie)(jie)調(diao)變(bian)為(wei)數字解(jie)(jie)調(diao)。

最關(guan)鍵的是自(zi)(zi)主能力的提升。在動力下降過程中(zhong)，原有的控制系統故障(zhang)預案變成自(zi)(zi)主實(shi)現；在月面工(gong)作期間，可(ke)以(yi)自(zi)(zi)主休眠、自(zi)(zi)主喚醒(xing)，喚醒(xing)后也可(ke)以(yi)自(zi)(zi)主進入穩定(ding)工(gong)作狀態。

科學研究開新篇

嫦娥四號軟著陸之后開展的科學(xue)探測，也(ye)將創(chuang)造多個首次。

吳偉仁表示，嫦(chang)娥四號的成功落(luo)月，表明我們具備了全月球到達的能力，基(ji)本上可以(yi)到達月球任何一(yi)個(ge)地點。在科(ke)學任務方面(mian)(mian)，嫦(chang)娥四號將(jiang)進行月球背面(mian)(mian)低(di)頻射電天文(wen)觀測與研(yan)(yan)究，開(kai)(kai)展月球背面(mian)(mian)巡視區形貌、礦(kuang)物組(zu)分(fen)及月表淺層(ceng)結構(gou)探(tan)測與研(yan)(yan)究，試驗(yan)性開(kai)(kai)展月球背面(mian)(mian)中子(zi)輻射劑量、中性原子(zi)等月球環境探(tan)測研(yan)(yan)究。

吳偉仁解釋說(shuo)：“著(zhu)陸(lu)器(qi)、巡視器(qi)將(jiang)會考察(cha)著(zhu)陸(lu)地區(qu)的(de)地形地貌、地質構造，我們會得到(dao)第一張月(yue)球地下的(de)剖(pou)面(mian)圖，還會探測(ce)著(zhu)陸(lu)地區(qu)的(de)物質成分、月(yue)壤組成等。與(yu)此同時，還將(jiang)測(ce)出月(yue)球背面(mian)的(de)準(zhun)確溫度。”

據介紹，月球分為(wei)克里普巖(yan)地(di)(di)體、斜長高地(di)(di)巖(yan)地(di)(di)體、艾特肯盆地(di)(di)地(di)(di)體，只有艾特肯盆地(di)(di)地(di)(di)體沒有被近距(ju)離巡視(shi)探測，具有很高的科(ke)研價值(zhi)。而且月球背(bei)面的巖(yan)石更加古老，如果能夠獲取其物質成(cheng)分信息，將有助(zhu)于(yu)科(ke)學家了解月球的化(hua)學成(cheng)分演化(hua)過(guo)程。

此外，在月(yue)球(qiu)背面(mian)開(kai)展(zhan)的低(di)頻(pin)射(she)(she)電(dian)(dian)天(tian)文觀測(ce)也備受關注。“月(yue)球(qiu)背面(mian)可以屏蔽(bi)電(dian)(dian)磁干擾，能夠填補在地球(qiu)和其他地方無(wu)法開(kai)展(zhan)的100KHz—1MHz射(she)(she)電(dian)(dian)天(tian)文觀測(ce)空白，有(you)可能觀察(cha)到40億年前(qian)宇宙早(zao)期(qi)爆炸的暗(an)黑地區(qu)的無(wu)線電(dian)(dian)波，將在行(xing)星際激(ji)波、日冕物質拋射(she)(she)和高能電(dian)(dian)子束產生機理等方面(mian)取(qu)得原創性(xing)成(cheng)果。”孫澤洲說。

深空探測不停步

從嫦娥(e)一號(hao)(hao)拍攝的(de)全(quan)月(yue)球(qiu)(qiu)影像圖(tu)，到嫦娥(e)二號(hao)(hao)首次實現(xian)我(wo)國(guo)(guo)對(dui)小(xiao)行(xing)星(xing)的(de)飛越探測，再到嫦娥(e)三號(hao)(hao)成(cheng)功實現(xian)落(luo)月(yue)夢想(xiang)、嫦娥(e)四號(hao)(hao)實現(xian)月(yue)球(qiu)(qiu)背面(mian)軟(ruan)著(zhu)陸……探月(yue)工程自2004年(nian)啟動以(yi)來(lai)取得一個(ge)又(you)一個(ge)突破，對(dui)我(wo)國(guo)(guo)月(yue)球(qiu)(qiu)及(ji)深(shen)(shen)空探測乃(nai)至航天(tian)事業(ye)的(de)持續發展具有重(zhong)大(da)意義。這(zhe)是繼人造地球(qiu)(qiu)衛星(xing)、載人航天(tian)飛行(xing)取得成(cheng)功之(zhi)后我(wo)國(guo)(guo)航天(tian)事業(ye)發展的(de)又(you)一座(zuo)里程碑，標志(zhi)著(zhu)我(wo)國(guo)(guo)已(yi)經進入世界具有深(shen)(shen)空探測能力的(de)國(guo)(guo)家行(xing)列。

吳(wu)偉仁表示，黨的(de)十九大明(ming)確了建設(she)航(hang)天(tian)強國(guo)的(de)戰略目(mu)標。我們(men)要爭取(qu)在2020年躋身航(hang)天(tian)強國(guo)行(xing)列、2030年進入世界(jie)航(hang)天(tian)強國(guo)前列。未來探月工程三期還將(jiang)實施兩次(ci)采樣(yang)(yang)返(fan)回(hui)任務，分別命名為嫦娥(e)五(wu)號和嫦娥(e)六號任務，將(jiang)首(shou)次(ci)采用無人月球(qiu)軌道交會對接方式實現月面自主(zhu)采樣(yang)(yang)返(fan)回(hui)。

據了解，我國未來還(huan)將進行一系列深空探測工程重(zhong)大(da)任務，浩瀚宇宙，人類(lei)探索的(de)腳(jiao)步永不停歇。（記者 馮 華(hua) 版式設計 蔡(cai)華(hua)偉）

【責任編輯：語謙】