不走尋常路：劍走偏鋒 “嫦娥四號”成功實現(xiàn)月球背面軟著陸
1月3日消息，據(jù)央視新聞報道，今天上午10點26分，“嫦娥四號”探測器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預(yù)選著陸區(qū)，并通過“鵲橋”中繼星傳回了世界靠前張近距離拍攝的月背影像圖，揭開了古老月背的神秘面紗。
“嫦娥四號”落月探測器是2018年12月8日升空的，2018年12月12日進(jìn)入月球軌道。經(jīng)過20多天的太空飛行，“嫦娥四號”終于著陸于月球背面預(yù)選著陸區(qū)——月球南極-艾肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑，成為世界靠前個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。此次任務(wù)實現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸，首次月背與地球的中繼通信，開啟了人類月球探測新篇章。
那么，“嫦娥四號”為什么要不走尋常路落到月球背面?落到月球背面有哪些困難?
“嫦娥四號”一路奔月宮
“嫦娥四號”整個飛行過程包括發(fā)射入軌段、地月轉(zhuǎn)移段、近月制動段、環(huán)月飛行段、環(huán)月降軌段、動力下降段，最終著陸到月面。期間，著陸器和巡視器組合體通過“鵲橋”月球中繼星與地面建立上下行通信鏈路。著陸成功后，著陸器將擇機(jī)完成巡視器釋放。著陸器、巡視器分別開展科學(xué)探測，并通過“鵲橋”將數(shù)據(jù)傳回地球。
月球背面著陸意義大
目前，全球已進(jìn)行過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在月球背面進(jìn)行軟著陸。
通過已發(fā)射的大量繞月探測器了解到，月球背面是不同于月球正面的地質(zhì)構(gòu)造，多“山”多“谷”，所以對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。地球上經(jīng)歷了多次滄海桑田，早期地質(zhì)歷史的痕跡早已消失殆盡，只能寄望于從月球上仍保存完好的地質(zhì)記錄中挖掘地球的早期歷史。因此，對月球背面開展形貌、物質(zhì)組成、月壤和月表淺層結(jié)構(gòu)的就位與巡視綜合探測，可促進(jìn)對月球早期演化歷史的新認(rèn)知，對研究地球的早期歷史也有重要價值。
此外，由于被地球潮汐鎖定、月球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期相同等原因，在地球上永遠(yuǎn)看不到月球的背面，只有約59%的月面能被地球觀測到。所以對天文學(xué)研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的射電輻射是研究天體的重要手段，稱為射電觀測。由于這些天體的距離遙遠(yuǎn)，電磁信號十分微弱，所以在地球上，日常生產(chǎn)生活的電磁環(huán)境會對射電天文觀測產(chǎn)生顯著干擾，因此天文學(xué)家一直希望找到一片完全寧靜的地區(qū)，監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱電磁信號。月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號，因而在那里能監(jiān)測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，研究恒星起源和星云演化，有望取得重大天文學(xué)成果。
月背著陸“鵲橋”先行
由于在地球上永遠(yuǎn)看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進(jìn)行無線電通信。因此，我國于2018年6月14日先把“鵲橋”月球中繼星送入地月拉格朗日2點(簡稱地月L2點)的軌道。在這個使命軌道上，“鵲橋”能同時看到地球和月球背面，并具備在1000米/秒高速在軌飛行中，速度控制精度誤差不大于0.02米/秒的超強(qiáng)本領(lǐng)，從而可為在月球背面著陸的“嫦娥四號”與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測控通信信號和科學(xué)數(shù)據(jù)。
遵循工程技術(shù)上可行、科學(xué)上有特色的原則，“嫦娥四號”的著陸區(qū)選在月球背面南極-艾肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)，這是因為該撞擊坑具有較高的科學(xué)探測價值，且地勢較為平坦，可以同時滿足科學(xué)和工程上的要求。對該撞擊坑的著陸和探測，能夠揭示月球形成和演化的一些關(guān)鍵問題，在月球科學(xué)研究中具有劃時代的意義?！版隙鹚奶枴睂⒎治鲈摰貐^(qū)的地表特征和地下構(gòu)造，為了解月球、地球、太陽系演化提供第一手線索。
“嫦娥四號”在月球背面馮·卡門撞擊坑完成軟著陸后，將進(jìn)行太陽電池翼展開并充電、定向天線展開并指向地球和推進(jìn)劑鈍化等一系列月面初始化工作。其巡視器與著陸器配合完成巡視器解鎖分離、轉(zhuǎn)移釋放、駛離等動作，巡視器到達(dá)月面。此后，在“鵲橋”月球中繼星的支持下，著陸器開展就位探測，巡視器按照任務(wù)整體規(guī)劃對探測點逐個進(jìn)行科學(xué)探測，并把探測數(shù)據(jù)傳回地面。
適應(yīng)新任務(wù)改進(jìn)多多
“嫦娥四號”任務(wù)的工程目標(biāo)主要有兩個：研制、發(fā)射月球中繼通信衛(wèi)星，實現(xiàn)國際首次地月L2點的測控及中繼通信;研制、發(fā)射月球著陸器和巡視器，實現(xiàn)國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。
其科學(xué)目標(biāo)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(qū)形貌、礦物組分及月表淺層結(jié)構(gòu)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(huán)境探測研究。
“嫦娥四號”由著陸器和巡視器組成，但更換了部分科學(xué)載荷，其中最主要的特點是裝載了國際科學(xué)載荷。
“嫦娥四號”的著陸方式與工作狀態(tài)跟“嫦娥三號”也有很大區(qū)別，性能上有很大提升。月球背面的地形很復(fù)雜，隕石坑更多，大坑套小坑，地勢更陡峭，山峰林立，因此“嫦娥四號”要在這些凹凸不平的地方軟著陸，需要更準(zhǔn)確的著陸精度。為了不撞到峭壁，“嫦娥四號”具備很高的自主導(dǎo)航和避障功能，以便自主尋找地勢相對平坦的地區(qū)進(jìn)行著陸，采取近乎垂直的著陸方式。
此外，“嫦娥四號”將采取新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術(shù)，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(nèi)首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。
“嫦娥四號”的月球車是全球目前重量最小的月球車，但由于要首次在月球背面軟著陸和巡視，因此針對月球背面復(fù)雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學(xué)目標(biāo)的實際需要等因素，對“嫦娥四號”月球車進(jìn)行了適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)整，在運動安全、能源供給、科學(xué)探測和測控通信等方面均做了特殊的設(shè)計。尤其在線路方面進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)和試驗驗證，使它更強(qiáng)大，既不怕極熱極冷的“廣寒宮”，又能完成更多新任務(wù)。
“嫦娥四號”任務(wù)完成后，我國將執(zhí)行探月三期任務(wù)，發(fā)射“嫦娥五號”采樣返回器，它由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分組成，將完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。
此后，我國探月工程將實施第四期工程，主要任務(wù)包括開展以機(jī)器人為代表的月球南北極探測，然后建立無人的月球科考站。最終，我國將實現(xiàn)載人登月的宏偉目標(biāo)。
本文編輯：楊婷
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