翩然落月背再赴广寒约

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这一刻注定会在人类探索史上留下丰富多彩的一笔。3日，嫦娥4号在飞行约40万公里后，成功降落在东经177.6度、南纬45.5度的月球背面预选着陆区，实现了首次月球背面软着陆和首次月球背面与地球之间的中继通信，揭开了月球探测的新篇章。

“嫦娥四号原本是嫦娥三号的后援星，三号后援成功后，我应该选择在哪里进行第二次降落？我们认为4号应该被赋予更强的生命力和更多的功能。自20世纪50年代以来，已经有100多个月球探测器和轨道飞行器被发射到月球上，但是它们都探测月球的前方。到目前为止，还没有月球探测器能在月球背面实现软着陆。因此，经过反复论证，最终确定了四号月球背面软着陆和巡逻探测的总体方案。”中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴解释了嫦娥四号任务的由来。

中国航天科技五院嫦娥四号探测器系统总设计师孙泽洲说，嫦娥四号任务实际上是一个“两个设备一颗卫星”，包括一个着陆器、一个巡逻车和一个“鹊桥”中继星，其中提前发射的中继星是为了实现地球与月球之间的中继通信，巡逻车更称为“月球车”。

很难回到月球

因为月球绕地球旋转的周期和月球自转的周期是一样的，所以月球总是有一面背向地球，这就是所谓的月球背面。由于背向地球，要实现月球背面软着陆，探测器与地球之间的测控通信和数据传输成为首先要解决的问题。此外，月球背面不像前面那样平坦，因此着陆区域的选择和精确着陆也是难题。

两位总设计师认为，嫦娥四号任务的技术难点主要体现在三个方面。

首先，对l2点的地月轨道的精确设计和控制应使中继星在l2点的轨道上稳定运行。

其次，远程数据中继在地球和月球的第二点。“选择l2有很多优点，但也有缺点，即它距离月球79000公里，距离地球40000公里。长距离使得信号衰减的问题更加困难。地球与月球之间的通信和探测器的状态控制必须由中继星来保证，通信时间和测控时间的延迟也必须考虑。因此，中继星的准确性和可靠性非常重要。”孙泽洲解释道。

第三是在复杂地形上安全着陆。吴作了一个比喻:“月亮的前面相当于中国的大平原，地势平坦；但是背面有点像中国的西南山区，到处都是山和环形山，月球背面的着陆区范围只有正面的1/8。嫦娥三号着陆时，可选区域长约300公里，宽约90公里，而嫦娥四号只能在有限的相对较大的撞击坑中找到一个相对平坦的位置作为着陆区域，选择的区域长约10公里，宽约10公里。另外，嫦娥三号当时是斜着着陆的，如果嫦娥四号也斜着着陆的话，它会撞上一座山。在复杂地形下，嫦娥四号几乎要垂直着陆，着陆时间短，航程短，风险确实比较大。"

有一个妙招可以准确地落在月球上

根据孙泽洲的说法，嫦娥四号的登月可以说是“正中靶心”。嫦娥四号的全自主能力下降。通过惯性导航和与月球表面的相对测量导航，根据确定的制导率实现月球背面的软着陆。

与嫦娥三号相似，嫦娥四号探测器也经历了点火准备、主减速阶段、快速调整阶段、接近阶段、悬停阶段、避障阶段和慢速下降阶段等动力下降过程，从而实现了从月球表面15公里高度的安全下降到月球表面软着陆。整个过程大约需要690秒。不同的是，嫦娥四号在15公里至8公里的高度下降，然后在8公里后变为垂直下降，引入了相对于月球表面的测量导航。孙泽洲解释说:“这将克服着陆区周围地形起伏的问题。”

为了提高着陆的安全性，嫦娥四号探测器将通过接力避开障碍物。当它下降到大约2公里时，探测器将进行光学初始避障，主要识别主要障碍物。当下降到约100米时，探测器将悬停，利用激光传感器准确避开障碍物，识别0.2米的障碍物和坡度，并通过地形的最佳识别方法找到安全着陆区域。嫦娥四号的自主性有了很大的提高。“如果找不到安全区域，嫦娥四号会选择一个相对次优的区域，也可以进行水平机动调整。"

想着登陆点

嫦娥四号的首选着陆点是位于月球南极艾特肯盆地中部的冯。卡门陨石坑。为什么选择这里？

孙泽洲解释说，月球表面不同纬度的热控和能源设计是相互制约和相对矛盾的。如果你降落在低纬度地区，光照条件好，能量充足，但对热控制来说是一个巨大的挑战；如果你在高纬度着陆，热控压力会大大降低，但太阳能的获取会受到影响。综合考虑各种因素，嫦娥三号是按照中高纬度着陆设计的，嫦娥四号在月球背面着陆的纬度也确定在40-50度范围内。

此外，探测器和中继星l2之间的通信也是考虑因素之一。“如果探测器的仰角太低，它将更容易受到周围山脉的影响。我们希望探测器能在高仰角与中继星通信，这样经度就可以大致确定，并出现一个大的区域。同时，我们必须选择一个相对较大且平坦的陨石坑来确定艾特肯盆地。”

艾特肯盆地是太阳系中发现的最大、最深的固体天体盆地，直径约2500公里，深度约12公里，90%的面积分布在月球背面。“在盆地确定之后，有必要筛选出特征性的撞击坑作为着陆点。同时，考虑到备份窗口的问题，在选定的着陆点附近应该有条件合适的相邻撞击坑。如果第一天的发射窗口未能按计划发射，而是第二天发射，则有必要选择一个经度约为13度的相邻弹坑作为替代着陆区。”孙泽洲说，综合以上因素，冯终于下定决心。卡门和陨石坑分别被用作主要选择和备用着陆区。

成功登月后，孙泽洲表示，整个过程完全按照预期进行，着陆非常顺利，着陆位置是最初设定的理想着陆点。

技术创新的许多亮点

嫦娥四号突破了一系列重大关键技术，实现了“七大创新”:实现了世界首个月球背面软着陆和巡逻探测，突破了月球背面复杂地形识别、高精度自主着陆控制和自主避障技术；突破高增益可展开天线、地球和月球拉格朗日l2点中继轨道设计等关键技术；突破强背景噪声环境下空之间低频电场信号提取和空之间低频电磁波高灵敏度接收技术；突破运载火箭多窗窄轨设计、组合导航滤波优化、氢氧动力系统加注后24小时延迟发射等关键技术；突破星载激光角反射器的发展，在世界上首次进行了地月距离以外的反射式激光测距试验；突破大范围温度变化和高真实空条件下的月球微生态系统构建技术；我们首次进行了国际装载和联合探测，完成了对月球中子和辐射剂量以及中性原子分布的科学探索。

此外，嫦娥四号还进行了技术创新。

在赛道设计上，嫦娥四号更加精致。“与嫦娥三号相比，嫦娥四号的陆地面积有限，因此有必要提高着陆精度。直接手段是改进轨道设计，可以实现在不同日期和不同窗口发射，并定期在预期着陆区着陆。”孙泽州说道。

在着陆段的制导、导航和控制方面，孙泽洲介绍说，由于嫦娥四号要经过许多陨石坑、环形山等，因此对动力下降过程的策略和各段的控制目标进行了调整，提高了传感器的性能。同时，测控通信进行了技术调整，不仅适应了对地测控通信，而且在着陆过程和工作中与中继星通信，解调技术由原来的模拟解调变为数字解调。

最重要的是提高自主性。在功率下降的过程中，原来的控制系统故障计划变成了自主实现；在月球表面工作期间，它可以自主睡眠和醒来，也可以在醒来后自主进入稳定的工作状态。

揭开科学研究的新篇章

嫦娥四号软着陆后进行的科学探索也将创造许多第一。

吴说，嫦娥四号成功登月表明，我们有能力到达整个月球，基本上可以到达月球上的任何地方。在科学任务方面，嫦娥四号将在月球背面进行天文观测和低频无线电研究，探测和研究月球背面巡视区月球表面的形态、矿物组成和浅层结构，并对月球背面的中子辐射剂量和中性原子等月球环境进行实验研究。

吴解释说:“登月舱和巡逻队将调查着陆区的地形和地质结构，我们将获得月球地下的第一个剖面，还将探测着陆区的物质组成和月球土壤组成。同时，月球背面的精确温度将被测量。”

据报道，月球分为克里普克地体、斜长石高地地体和艾特肯盆地地体。只有艾特肯盆地地体没有经过仔细考察，具有很高的科学研究价值。此外，月球背面的岩石要古老得多。如果我们能得到它的物质成分的信息，这将有助于科学家了解月球化学成分的演变过程。

此外，在月球背面进行的低频无线电天文观测也引起了人们的极大关注。“月球的背面可以屏蔽电磁干扰，并且可以填充100 kHz-1 MHz无线电天文观测空·怀特认为不能在地球和其他地方进行的东西。在40亿年前宇宙爆炸的黑暗区域观测无线电波是可能的，并将在星际冲击波、日冕物质抛射和高能电子束产生机制方面取得最初的成果。”孙泽州说道。

深度空探测不会停止

从嫦娥一号拍摄的整月照片，到嫦娥二号在中国首次飞越小行星，到嫦娥三号成功登月的梦想，再到嫦娥四号在月球背面软着陆...探月工程自2004年启动以来取得了一个又一个突破，这对中国探月和deep/deep/だよ探月乃至航天事业的可持续发展具有重要意义。这是继人造地球卫星和载人航天成功之后，中国航天事业发展的又一个里程碑，标志着中国已进入世界上空探测能力最强的国家行列。

吴说，中国共产党第十九次全国代表大会明确提出了建设太空强国的战略目标。我们应该努力在2020年成为太空大国，在2030年成为世界太空大国。未来探月工程第三阶段将实施嫦娥五号和嫦娥六号两次采样返回任务，首次采用无人月球轨道交会对接实现月球表面自主采样返回。

据了解，中国未来将开展一系列重大的深空探测工程任务，而浩瀚的宇宙中，人类探索的步伐将永不停止。

布局设计:蔡华为

《人民日报》(2019年1月4日，第10版)

来源：搜狐微门户