吴学英：人类首次月球背面软着陆探测之旅——嫦娥四号任务

　　2018年12月8日，嫦娥四号探测器在我国西昌卫星发射中心成功发射。 2019年1月3日，嫦娥四号成功着陆在月球背面，月球车“玉兔二号”到达月面开始巡视探测，目前已经探测约200米的距离。嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器完成两器互拍，标志着嫦娥四号任务圆满成功。

　　

　　

　　一、月球知多少

　　月球是离地球最近的一个地外天体，也是地球唯一的天然卫星。月球的半径（1738km）与重力约是地球的六分之一，两者相距约38万公里；月球表面遍布着许多撞击坑；月球本身不发光靠反射太阳光，其自转轴和公转轴夹角约为5度，有趣的是，月球的自转周期和公转周期是一样的，转一圈的时间大约是地球上的1个月。

　　地球上始终只能看到月球的正面，永远看不到背面，这跟天文学所讲的“潮汐锁定”现象有关。“潮汐锁定”的天体，绕自身的轴旋转一圈跟绕着同伴公转一圈的时间是一样的，同步自转导致它会用固定不变的一面朝向同伴，所以，从地球上永远只看到月球的一面。实际上，宇宙中的“潮汐锁定”是个很普遍的现象，矮行星冥王星和它的卫星卡戎是最好的“潮汐锁定”例子。

　　

　　

　　月球上的地形地貌大致分为月海和高地。月海相对平坦，最大坡度约为17°（一般为0－10°），标准方差为3.7°，环形坑就是典型的月海；高地起伏更大，最大坡度约为34°（一般为0－23°），标准方差为4.5－6°，甚至更高。如环形山上面部分会有一定坡度，坑中间相对平缓。月球上虽然没有空气，但它会不停受着宇宙高能粒子，特别是太阳风（太阳喷射出来的高能粒子）的风化作用，使得形成时间越久的坑越来越平缓。同时，月球表面覆盖有1~10米左右不等的“月壤”，物理形态上类似火山灰的物质。

　　

　　

　　月表温差极大，白天温度高达100多，夜晚温度又低到零下190多度。

　　

　　

　　

　　二、国际探月潮

　　月球是人类探测地外天体的首选目标，从1958年至今发射的深空探测器多达200余个，其中的月球探测器有100多个。人类探测月球大致分为三个阶段：高潮期（1958－1976年），宁静期（1977－1988年），复苏期（1989年至今）。

　　

　　

　　1969年7月21日，人类实现了载人登月

　　探测月球主要有五种方式：①硬着陆与飞越；②软着陆探测与自动巡视勘查；③环绕探测；④样品自动采样返回；⑤载人登月探测。

　　目前，人类已开展无人月球探测107次、成功53次，开展载人登月7次、成功6次。

　　1959年1月，苏联的月球1号探测器从距月球6000千米处飞过，首次探访月球；1959年10月，苏联的月球-3号在飞过月球时，拍摄到月球背面的第一张照片。

　　

　　美国在1961-1972年间，进行的一系列载人登月飞行任务中，6次成功着陆月球并返回，共有12名宇航员踏上月球。

　　

　　

　　1969年7月20日，人类首次登月

　　“复苏期”所发射的主要探测器：

　　1989年10月18日，美国发射木星探测器“伽利略号”对月球进行了飞越探测；

　　1990年1月24日，日本发射“飞天”月球技术试验探测器，进行了飞越探测；

　　1994年1月25日，美国发射“克莱门汀”月球轨道探测器；

　　1998年1月7日，美国发射“月球勘查者”轨道探测器，发现月球上可能有水；

　　2003年9月27日，ESA发射“SMART-1”技术试验探测器，成功实现环月探测；

　　2007年09月14日，日本发射SELENE月球轨道探测器；

　　2007年10月24日，中国发射嫦娥一号月球轨道探测器；

　　2008年10月22日，印度发射月船一号月球探测器；

　　2009年06月18日，美国发射月球侦察轨道器(LRO)；

　　2010年10月01日，中国发射嫦娥二号；

　　2011年09月10日，美国NASA发射两个小型“圣杯号”月球探测器；

　　2013年09月07日，美国NASA发射了“月球大气与尘埃环境探测器”；

　　2013年12月02日，中国发射嫦娥三号，并于14号成功着陆；

　　2014年10月24日，中国发射嫦娥五号飞行试验器，验证高速再入返回技术。

　　2018年12月8日，中国发射嫦娥四号飞探测器，首次着陆月球背面。

　　

　　三、嫦娥探月路

　　我国的探月工程分三步：“绕、落、回”。这三个步骤，前者是后者的基础，后者是前者的跨越。

　　

　　

　　探月是高风险活动，国际上完全成功完成任务的不到一半。我国虽然起步晚，但起点高；投入少，而产出多。我国已实施的5次探月任务都成功告捷。

　　2007年嫦娥一号卫星，实现绕月探测；

　　2010年嫦娥二号卫星，实现先导验证和多任务多目标探测，也是距离我们最远的一颗中国卫星；

　　2013年嫦娥三号探测器，实现我国首次和世界第三次月球软着陆和巡视勘察探测；

　　2014年嫦娥五号飞行试验器，实现高速再入返回试验验证；

　　2018年嫦娥四号探测器，实现月背软着陆和巡视勘察探测。

　　一期工程——“绕”

　　嫦娥一号工程实现了我国从地球走向月球，并对月球进行科学探测。其科学目标是获取月球表面三维影像，分析月球表面元素含量和物质类型的成分，探测月壤特性，探测地月空间环境。

　　

　　

　　嫦娥一号验证了地－月飞行轨道设计技术、地－月远距离测控与通信技术、关键变轨控制技术等关键技术，使我国初步掌握了绕月探测的基本技术。嫦娥一号卫星绕月期间发回了1.4TB原始科学数据，取得了以月球影像图为代表的大量科学成果。

　　我国第一张的月面的全影像图

　　二期工程——“落”

　　嫦娥二号获得了多项成果：成功获取备选着陆区1.5m和全月面7m分辨率成像数据；首次开展了日地拉格朗日L2点（两个天体之间的平衡力点，理论上卫星能在这个点保持静止）的探测试验，并且飞越当时距离地球约700万千米的图塔蒂斯小行星并对其成像，国际上首次实现对该小行星近距离探测。

　　

　　全月面7m分辨率成像数据

　　嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器组成。探测器经过地月转移段、环月段和动力下降段的飞行，在月表虹湾地区实施软着陆，两器进而分离成两个独立的探测器，各自展开月面探测工作。

　　

　　嫦娥三号获得了首幅月球剖面图——“嫦娥三号”开展了着陆区月壤内部与月壳浅层结构探测，是国际上首幅月球地质剖面图。首次揭示月球雨海区的火山演化历史；在月基天文观测——月基光学望远镜在月面上对多个天区实现近紫外天文观测；在月球上看地球——通过极紫外相机，人们在月面上对地球周围15个地球半径的大视场等离子体层进行极紫外观测。

　　嫦娥四号工程实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察；实现首次地月L2点中继星对地对月的测控、数传中继。其科学目标：月基低频射电天文观测与研究；月球背面巡视区形貌和矿物组份探测与研究；月球背面巡视区浅层结构探测与研究。

　　嫦娥四号探测器系统包括着陆器、巡视器和中继星。分两次发射：中继星单独发射，进入地月系L2平动点使命轨道；“着巡”组合体发射，着陆至月球背面，在中继星中继链路的支持下，两器分离并分别开展月面原位与巡视探测。

　　

　　月球背面分布着大量高地，遍布着撞击坑和环形山。背面南部分布着著名的南极－艾特肯盆地（South-PoleAitkenBasin，SPA），中心纬度40°S～60°S，中心经度180°附近，直径2000km～2600km，是太阳系中规模最大、最古老的撞击盆地，具有极高的科学研究价值。

　　月球背面由于其特殊位置，其特点有：

　　1)屏蔽来自地球的各类无线电信号，是对宇宙电磁波谱探测的最佳地点，是理想探测环境；

　　2)具有月球最大、最深、最古老的盆地-SPA盆地，保存了月球的早期信息，对于研究月球和地月系的初期历史和演化、深层次的构造和成分具有重要意义；

　　3)SPA盆地的形成也是目前争论的科学问题。

　　通过嫦娥四号任务的实施可进一步增加人类对月球背面的了解，与月球正面的探测结果进行一体化综合分析与研究，将可全面了解月球。

　　嫦娥四号工程主要有两个难点：复杂地形的着陆和中继通信。

　　第一个，复杂地形的着陆。

　　月球背面的南极—艾特肯盆地，地形起伏高达7公里，撞击坑多，对着陆安全造成很大影响。满足安全着陆就要解决两个问题：高精准着陆，即需要精细化的轨道设计与控制，采用“倾角+相位”联合修正的最优算法，实现着陆初始点位置和时刻的精细控制，优化导航算法，实现“定点定时”着陆；高可靠着陆，即优化动力下降策略，合理设计分段控制目标和导航修正策略，避免航迹地形起伏的影响；提高自主能力，系统自主故障诊断与重构，自主建立着陆后工作状态。

　　第二个，全时中继覆盖。

　　地月L2点轨道设计基于日、地、月关系，优化平动点轨道参数，实现全时中继覆盖；轨道维持策略设计基于测轨和轨控精度，优化轨道维持策略，减少速度增量需求。采用再生转发体制，获得返向链路信道编码增益，提高数据中继能力。采用4.2m伞状天线技术，提高前/返向链路信道增益；优化帧同步容错策略，提高低信噪比解调能力；多通道+多模式+多速率，对月双目标同时可靠中继。

　　嫦娥四号的发射飞行过程：

　　2018年5月21日，在西昌卫星发射中心采用长征四号火箭成功发射中继星“鹊桥”；

　　2018年6月14日，中继星进入地-月L2点使命轨道；

　　2018年12月8日，在西昌卫星发射中心采用长征三号乙火箭发射着陆器和“玉兔二号”巡视器。

　　2019年1月3日10时14分35秒，开始实施动力下降，于10时26分2秒，触月敏感器触发，标志着陆器安全着陆到月面。

　　近距离成像：

　　

　　着陆器的监视相机拍摄的人类第一张近距离月球背面图像

　　

　　两器分离：

　　

　　玉兔二号移动到月面影像

　　

　　两器互拍：

着陆器地形地貌相机对巡视器成像 巡视器全景相机对着陆器成像

　　环拍成像：

　　

　　着陆器地形地貌相机对着陆点周围进行360°环拍

　　月面巡视：截至目前，玉兔二号共计移动约190m。

　　　　

　　科学探测：

　　1）月基低频射电天文观测研究：低频射电频谱仪在月球背面首次开展低频射电天文观测。

　　2）月球背面巡视区形貌和矿物组份探测与研究：红外光谱成像仪。

　　3) 月球背面巡视区浅层结构探测与研究。

　　4)地月空间环境探测。

　　嫦娥四号探测器近日有了重大科学发现。5月15日，《自然》杂志发布了有关月球探测的一篇文章，来自中国的科学家团队利用嫦娥四号就位光谱探测数据，证实了月幔富含橄榄石推论的正确性，为月幔物质组成提供了直接证据。

　　2019年2月4日，国际天文学联合会(IAU)批准了嫦娥四号着陆点及其附近5个月球地理实体命名：嫦娥四号着陆点命名为“天河基地”；着陆点周围呈三角形排列的三个环形坑，分别命名为“织女”、“河鼓”和“天津”；着陆点所在冯卡门坑内的中央峰命名为“泰山”。这些充分反映了我国在月球探测及其科学研究工作上所取得的成绩，也体现了综合实力和科学技术发展水平。

　　嫦娥四号任务的圆满成功，首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察，地球与月球背面的测控通信，在月球背面留下了世界探月史上的第一行足迹，揭开了古老月背的神秘面纱，开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。为人类和平利用太空、推动构建人类命运共同体贡献了中国智慧、中国方案、中国力量。

　　三期工程——“回”

　　不久的将来，我国将发射嫦娥五号，实现采样返回任务。未来还要实现月球极区探测，为建立月球科研站进行前期技术验证。