嫦娥四號(hào)飛行約40萬(wàn)公里后，用時(shí)約690秒平穩(wěn)著陸
　　翩然落月背 再赴廣寒約

　　這一刻,，注定要在人類(lèi)的太空探索史上留下濃墨重彩的一筆,。3日,，飛行約40萬(wàn)公里之后，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功降落于月球背面東經(jīng)177.6度,、南緯45.5度附近的預(yù)選著陸區(qū),，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)探測(cè)器首次月球背面軟著陸和首次月背與地球的中繼通信，開(kāi)啟了月球探測(cè)的新篇章,。

　　“嫦娥四號(hào)原來(lái)是嫦娥三號(hào)的備份星，三號(hào)成功后備份轉(zhuǎn)正份,，那么第二次著陸要選擇哪里,？我們認(rèn)為應(yīng)該賦予四號(hào)更強(qiáng)的生命力和更多功能。從上世紀(jì)50年代開(kāi)始,，發(fā)射到月球的探測(cè)器和軌道器已經(jīng)有100多個(gè),，但都是對(duì)月球正面的探測(cè)，至今沒(méi)有任何一個(gè)月球探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)在月球背面軟著陸,。因此,，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證,，最終確定了嫦娥四號(hào)月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的總體方案,?！敝袊?guó)探月工程總設(shè)計(jì)師、中國(guó)工程院院士吳偉仁解釋了嫦娥四號(hào)任務(wù)的由來(lái),。

　　中國(guó)航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲說(shuō),，嫦娥四號(hào)任務(wù)實(shí)際上是“兩器一星”，包括了著陸器,、巡視器和“鵲橋”中繼星，其中先期發(fā)射的中繼星就是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地,、對(duì)月的中繼通信,，而巡視器更多地被人們稱為“月球車(chē)”,。

　　月背任務(wù)克三難

　　由于月球繞地球公轉(zhuǎn)的周期與月球自轉(zhuǎn)的周期相同，所以月球總有一面背對(duì)著地球,，這一面被稱為月球背面,。正因?yàn)楸硨?duì)地球,，要在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸，探測(cè)器與地球的測(cè)控通信和數(shù)據(jù)傳輸成為首先要解決的難題,。此外,，月球背面并不像正面那樣平坦,，著陸區(qū)的選擇及精準(zhǔn)著陸也是難題,。

　　在兩位總設(shè)計(jì)師看來(lái)，嫦娥四號(hào)任務(wù)的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面,。

　　首先是地月L2點(diǎn)軌道的精確設(shè)計(jì)與控制,，要使中繼星穩(wěn)定運(yùn)行在L2點(diǎn)的軌道上。

　　其次是地月L2點(diǎn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)中繼,。“選擇L2點(diǎn)有很多好處,，但也有不足之處，那就是距離月球7.9萬(wàn)公里,、距離地球4萬(wàn)公里,，遙遠(yuǎn)的距離讓信號(hào)衰減的問(wèn)題更棘手,。地月之間通信,、探測(cè)器的狀態(tài)控制等,，都要靠中繼星來(lái)保障,，還要考慮到通信時(shí)間、測(cè)控時(shí)間的延遲,，因此，中繼星的精準(zhǔn)可靠至關(guān)重要,?！睂O澤洲解釋說(shuō)。

　　第三是復(fù)雜地形的安全著陸,。吳偉仁打了個(gè)比方：“月球正面就相當(dāng)于我國(guó)的大平原,，地勢(shì)平坦,；但背面就有點(diǎn)像我國(guó)的西南山區(qū),，到處都是高山和撞擊坑，月背可供選擇的著陸區(qū)范圍只有正面的1/8,。嫦娥三號(hào)著陸時(shí)可供選擇的區(qū)域范圍長(zhǎng)約300公里,、寬約90公里，而嫦娥四號(hào)只能在有限的相對(duì)大的撞擊坑里尋找相對(duì)平坦的位置作為著陸區(qū),，選擇范圍長(zhǎng)寬各十幾公里,。此外，嫦娥三號(hào)當(dāng)時(shí)是斜著降落的,，嫦娥四號(hào)如果也是斜著下來(lái)就要撞山了,。在復(fù)雜的地形下，嫦娥四號(hào)要近乎垂直降落,，著陸時(shí)間短,、航程短，風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)比較大,?！?/p>

　　精準(zhǔn)落月有妙招

　　孫澤洲介紹，此次嫦娥四號(hào)的落月可以說(shuō)是“正中靶心”,，嫦娥四號(hào)全自主動(dòng)力下降,，通過(guò)慣性導(dǎo)航及與月面相對(duì)測(cè)量導(dǎo)航，按照既定制導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸,。

　　與嫦娥三號(hào)相似，嫦娥四號(hào)探測(cè)器也經(jīng)歷了點(diǎn)火準(zhǔn)備,、主減速段,、快速調(diào)整段,、接近段,、懸停段,、避障段以及緩速下降段等動(dòng)力下降過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從距離月面15公里高度安全下降至月球表面的軟著陸,。全過(guò)程用時(shí)約690秒,。不同之處在于,，嫦娥四號(hào)在15公里到8公里高度為傾斜下降,，8公里之后就改為垂直向下，引入相對(duì)于月面的測(cè)量導(dǎo)航,。孫澤洲解釋：“這樣就可以克服著陸區(qū)周邊地形起伏的問(wèn)題,。”

　　為了增加著陸的安全性,，嫦娥四號(hào)探測(cè)器會(huì)通過(guò)接力避障的方式,。下降至2公里左右，探測(cè)器會(huì)做一次光學(xué)的初避障,，主要識(shí)別大障礙,。下降至100米左右，探測(cè)器會(huì)做一個(gè)懸停,，利用激光敏感器實(shí)現(xiàn)精避障,，識(shí)別0.2米障礙、坡度等,，通過(guò)地形的最優(yōu)識(shí)別方法找到安全區(qū)域降落,。嫦娥四號(hào)的自主能力有很大提升,，“如果找不到安全區(qū)域,，嫦娥四號(hào)會(huì)選擇相對(duì)次優(yōu)的區(qū)域，還可以做水平機(jī)動(dòng)調(diào)整,?！?/p>

　　著陸地點(diǎn)費(fèi)思量

　　嫦娥四號(hào)的首選著陸地點(diǎn)，是位于月球背面南極—艾特肯盆地中部的馮·卡門(mén)撞擊坑,。為什么選擇這里？

　　孫澤洲解釋說(shuō),，月面不同緯度所面臨的熱控和能源設(shè)計(jì)是相互約束,、相對(duì)矛盾的。如果降落到低緯度地區(qū),，光照條件好,、能源獲得充足，但對(duì)于熱控是巨大的挑戰(zhàn),；如果降落在高緯度地區(qū),，熱控壓力大大減少，但太陽(yáng)能獲取又受到影響,。綜合考慮多種因素,，嫦娥三號(hào)按照中高緯度降落來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嫦娥四號(hào)在月球背面著陸的緯度也確定在40度—50度的范圍內(nèi),。

　　此外,，探測(cè)器與中繼星L2點(diǎn)的通信問(wèn)題也是考慮因素之一。“如果探測(cè)器仰角太低,，勢(shì)必更容易受到周?chē)降氐挠绊?。我們希望探測(cè)器能夠高仰角對(duì)中繼星通信，這樣一來(lái),，經(jīng)度也大致確定了,，大的區(qū)域范圍就出現(xiàn)了。同時(shí)還要選擇相對(duì)大一些,、平坦一些的撞擊坑,，就確定了艾特肯盆地?！?/p>

　　艾特肯盆地是目前發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系固體天體中最大最深的盆地,，直徑大約2500公里，深度約12公里,，90%的面積都分布在月球背面,。“盆地確定后,，還要篩選出有特點(diǎn)的撞擊坑作為著陸地點(diǎn),。同時(shí)考慮到備份窗口的問(wèn)題，選擇的著陸點(diǎn)附近要有相鄰的,、條件合適的撞擊坑,。如果頭一天的發(fā)射窗口沒(méi)能如期發(fā)射，要在第二天發(fā)射,，那么就要選擇相鄰經(jīng)度13度左右的撞擊坑作為備選著陸區(qū),。”孫澤洲表示,，綜合上述因素,，最終確定馮·卡門(mén)和克雷地安撞擊坑分別作為主選擇和備份著陸區(qū)。

　　落月成功后,，孫澤洲表示,，整個(gè)過(guò)程完全按照預(yù)想進(jìn)行，著陸非常平穩(wěn),，并且著陸位置就是最初設(shè)定的理想著陸點(diǎn),。

　　技術(shù)創(chuàng)新多亮點(diǎn)

　　嫦娥四號(hào)突破了一批重大關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“七大創(chuàng)新”：實(shí)現(xiàn)世界首次月球背面軟著陸與巡視探測(cè),，突破月球背面復(fù)雜地形地貌識(shí)別,、高精度自主著陸控制與自主避障等技術(shù)；突破高增益可展開(kāi)天線,、地月拉格朗日L2點(diǎn)中繼軌道設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),；突破強(qiáng)背景噪聲環(huán)境下空間低頻電場(chǎng)信號(hào)提取,、空間低頻電磁波高靈敏度接收等技術(shù)；突破運(yùn)載火箭多窗口,、窄寬度軌道設(shè)計(jì),，組合導(dǎo)航濾波優(yōu)化，氫氧動(dòng)力系統(tǒng)加注后推遲24小時(shí)發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù),；突破星載激光角反射器研制,，國(guó)際首次開(kāi)展超地月距離的反射式激光測(cè)距試驗(yàn)；突破寬溫變與高真空條件下的月表微型生態(tài)圈構(gòu)造技術(shù),；首次開(kāi)展國(guó)際載荷搭載和聯(lián)合探測(cè),，完成月球中子及輻射劑量、中性原子分布等科學(xué)探測(cè),。

　　此外,，嫦娥四號(hào)在技術(shù)上也進(jìn)行了創(chuàng)新。

　　在軌道設(shè)計(jì)上,，嫦娥四號(hào)更為精細(xì)化,。“與嫦娥三號(hào)相比,，嫦娥四號(hào)著陸時(shí)可選擇的面積有限,，因此必須提高著陸精度。直接手段就是精細(xì)化軌道設(shè)計(jì),，能夠?qū)崿F(xiàn)不同日期,、不同窗口發(fā)射，都會(huì)定時(shí)定點(diǎn)著陸在預(yù)想著陸區(qū),?！睂O澤洲說(shuō)。

　　在著陸段的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制方面,，孫澤洲介紹,，因?yàn)殒隙鹚奶?hào)的航跡中要經(jīng)過(guò)很多撞擊坑、環(huán)形山等,，因此對(duì)動(dòng)力下降過(guò)程的策略和各個(gè)分段的控制目標(biāo)都進(jìn)行了調(diào)整，提高了敏感器的性能,。同時(shí)在測(cè)控通信方面做了技術(shù)調(diào)整,，既要適應(yīng)對(duì)地球的測(cè)控通信，在著陸過(guò)程和工作中還要和中繼星通信,，解調(diào)技術(shù)由原來(lái)的模擬解調(diào)變?yōu)閿?shù)字解調(diào),。

　　最關(guān)鍵的是自主能力的提升。在動(dòng)力下降過(guò)程中,，原有的控制系統(tǒng)故障預(yù)案變成自主實(shí)現(xiàn),；在月面工作期間,，可以自主休眠、自主喚醒,，喚醒后也可以自主進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),。

　　科學(xué)研究開(kāi)新篇

　　嫦娥四號(hào)軟著陸之后開(kāi)展的科學(xué)探測(cè)，也將創(chuàng)造多個(gè)首次,。

　　吳偉仁表示,，嫦娥四號(hào)的成功落月，表明我們具備了全月球到達(dá)的能力,，基本上可以到達(dá)月球任何一個(gè)地點(diǎn),。在科學(xué)任務(wù)方面，嫦娥四號(hào)將進(jìn)行月球背面低頻射電天文觀測(cè)與研究,，開(kāi)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(cè)與研究，試驗(yàn)性開(kāi)展月球背面中子輻射劑量,、中性原子等月球環(huán)境探測(cè)研究,。

　　吳偉仁解釋說(shuō)：“著陸器、巡視器將會(huì)考察著陸地區(qū)的地形地貌,、地質(zhì)構(gòu)造,，我們會(huì)得到第一張?jiān)虑虻叵碌钠拭鎴D，還會(huì)探測(cè)著陸地區(qū)的物質(zhì)成分,、月壤組成等,。與此同時(shí)，還將測(cè)出月球背面的準(zhǔn)確溫度,?！?/p>

　　據(jù)介紹，月球分為克里普巖地體,、斜長(zhǎng)高地巖地體,、艾特肯盆地地體，只有艾特肯盆地地體沒(méi)有被近距離巡視探測(cè),，具有很高的科研價(jià)值,。而且月球背面的巖石更加古老，如果能夠獲取其物質(zhì)成分信息,，將有助于科學(xué)家了解月球的化學(xué)成分演化過(guò)程,。

　　此外，在月球背面開(kāi)展的低頻射電天文觀測(cè)也備受關(guān)注,?！霸虑虮趁婵梢云帘坞姶鸥蓴_，能夠填補(bǔ)在地球和其他地方無(wú)法開(kāi)展的100KHz—1MHz射電天文觀測(cè)空白,，有可能觀察到40億年前宇宙早期爆炸的暗黑地區(qū)的無(wú)線電波,，將在行星際激波,、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性成果?！睂O澤洲說(shuō),。

　　深空探測(cè)不停步

　　從嫦娥一號(hào)拍攝的全月球影像圖，到嫦娥二號(hào)首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)對(duì)小行星的飛越探測(cè),，再到嫦娥三號(hào)成功實(shí)現(xiàn)落月夢(mèng)想,、嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸……探月工程自2004年啟動(dòng)以來(lái)取得一個(gè)又一個(gè)突破，對(duì)我國(guó)月球及深空探測(cè)乃至航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義,。這是繼人造地球衛(wèi)星,、載人航天飛行取得成功之后我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的又一座里程碑，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入世界具有深空探測(cè)能力的國(guó)家行列,。

　　吳偉仁表示,，黨的十九大明確了建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。我們要爭(zhēng)取在2020年躋身航天強(qiáng)國(guó)行列,、2030年進(jìn)入世界航天強(qiáng)國(guó)前列,。未來(lái)探月工程三期還將實(shí)施兩次采樣返回任務(wù)，分別命名為嫦娥五號(hào)和嫦娥六號(hào)任務(wù),，將首次采用無(wú)人月球軌道交會(huì)對(duì)接方式實(shí)現(xiàn)月面自主采樣返回,。

　　據(jù)了解，我國(guó)未來(lái)還將進(jìn)行一系列深空探測(cè)工程重大任務(wù),，浩瀚宇宙,，人類(lèi)探索的腳步永不停歇。

　　版式設(shè)計(jì)：蔡華偉

馮 華