嫦娥四号成功发射：本是备胎 华丽逆袭

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张厚英（中国空间学会副理事长，原中国载人航天工程应用系统总指挥）

　　8日凌晨2时许，嫦娥四号月球探测器由长征三号乙改进型运载火箭成功发射，将实现人类首次月球背面着陆和巡视勘察。为啥要去月球背面？

　　2018年12月8日凌晨02:23分，嫦娥四号月球探测器由长征三号乙改进型运载火箭成功发射。

　　嫦娥四号将对月球背面南极艾特肯盆地开展着陆巡视探测，实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。为什么要去月球背面？软着陆难度又多大？中国的探月工程，未来又将如何发展？

　　从“备份”到“备受瞩目”

　　嫦娥四号的逆袭之路

　　这几年，有个叫做“备胎逆袭”的词语很火，但谁能想到，如今备受瞩目的嫦娥四号，最早的身份竟是“备胎”，甚至一度计划取消发射！

　　2013年12月14日，嫦娥三号月球探测器在月球西北部成功软着陆，中国成为世界上第四个掌握月球探测登陆技术的国家。但与此同时，作为嫦娥三号备份星的嫦娥四号，身份就异常尴尬了。

　　所谓“备份星”是指在先导星工作失效的情况下，接替先导星工作的卫星。在嫦娥系列卫星中，嫦娥一号、三号、五号这几个奇数命名的探测器是先导星，偶数则为正星的备份星。也就是说，嫦娥四号诞生之初，是个不折不扣的“备胎”。

　　因此，关于“嫦娥四号做什么”的讨论，相关科研人员一度产生了分歧，争执辩论了2年时间，有人甚至提出“节约资金不发射”的主张。举棋不定之时，“嫦娥”系列月球探测器总指挥兼设计顾问叶培健院士站了出来，他不仅主张发射嫦娥四号，还主张让嫦娥四号到月球背面去看一看。

　　按照最早的计划，即便嫦娥四号进行发射，降落点也在月球正面。但叶培健院士却认为，再落一次月球正面意义不大，他向主管领导提议，“落到月球背面，成功了是一大亮点，即便不成功，也是人类第一次，可以原谅。”功夫不负有心人，有关单位组织了多次讨论之后，终于通过了月球背面降落的方案。

　　不过，降落月球不是车场倒库，正面背面一字之差，技术难度却是天壤之别，最棘手的就是通讯问题，也是人类从未涉足的重要原因之一。因此在飞行器登陆之前，必须先发射中继卫星来进行通信传输。

▲鹊桥中继星示意图

　　今年5月，嫦娥四号的先行者“鹊桥号”中继星在我国西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射；6月14日11时06分，鹤桥号中继星成功实施轨道捕获控制，进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点Halo使命轨道。它将在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试，并为嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。

　　而此次嫦娥四号的着陆器和巡视器（月球车）由长征三号乙（CZ-3B）运载火箭发射，送入倾角28.5°、近地点高度200 km、远地点高度约42万 km的地月转移轨道，正式开启揭开月球背面神秘面纱的征程。

　　嫦娥四号为何不在最新落成的海南文昌基地发射？原中国载人航天工程应用系统总指挥,现任中国空间学会副理事长张厚英告诉北京科技报|科学加客户端记者，文昌发射基地主要发射大型运载火箭，此次发射卫星的长征三号乙运载火箭，属于中型火箭，从节约资源、提高效率的角度看，西昌发射中心完全可以满足发射要求，也就无需“跨洋过海”去海南发射了。

▲长征三号系列运载火箭（图片来源：中国运载火箭技术研究院）

　　地形崎岖 极热极寒

　　月球背面软着陆难度不小

　　月球背面有什么？与正面以月海平原为主不同的是，月球背面基本上都是山地、高原，布满了撞击坑，环境十分复杂。打个比方来说，月球正面的月海如果是华北平原的话，那月球背面的月陆就是横断山脉。

　　为何要去月球背面？有一种观点认为，月球背面并没有什么科学价值。但实际上，如同人类在地球上探测南极、北极这些地方一样，月球背面是人类航天器还没有着陆过的处女地，既有望获得有价值的重要科学发现，也有利于突破技术难关，提升航天技术能力。

　　据介绍，月球是屏蔽地球上的无线电噪声的最好隔绝装置，因此在月球背面放置射电望远镜，对开展射电天文观测，有利于探测和发现宇宙中极微弱的射电信号。

　　▲月球正面与背面对比图，正面的月海平原颜色较深，地形比较平滑；而月球背面以月陆为主，地形崎岖，南部有一个巨大的撞击盆地，嫦娥四号探测器将着陆区域瞄准在南极－艾肯盆地（South Pole-Aitken Basin），这是一个具有重要科学价值的巨大撞击坑，可能的着陆点初步确定为冯·卡门撞击坑（Von Kármán）附近。

　　但是，月球背面降落的难度着实不小，历史上所有的月球探测器，在月球的降落点无一例外都是地形平坦、光照充足、通信情况良好的地区，并且都是月球正面。但嫦娥四号恰恰相反，选择月球背面降落，颇有“明知山有虎、偏向虎山行”的意味。

　　具体来看，在月球背面登陆还有许多需要解决的问题，例如在太阳板失效的情况下，如何保证登陆器正常功能？在月夜超低温环境下，登陆器如何不受干扰？月球背面崎岖的地形上，登陆器如何准确着陆？此外，月球背面等离子体环境更加恶劣，对登陆器也是个不小的考验。

　　此次，由中国航天科技集团有限公司抓总研制的嫦娥四号着陆器和月球车，尽管外形上和嫦娥三号月球车“玉兔”颇为相似，但实际上，针对月球背面复杂的自然环境，在适应性更改和有效载荷配置调整方面，嫦娥四号进行了多项有针对性的调整。

　　在温度控制防护方面，更好迎战昼夜极热极冷的月面环境，是嫦娥四号月球车升级提高的重要方向之一。为了保证所有设备在月夜零下180摄氏度的环境中不被冻坏，科研人员专门配置了同位素热源为仪器设备供热。除了温度控制防护之外，嫦娥四号月球车还针对线路方面，进行了设计改进和试验验证，使着陆器具备了很高的自主导航和避障功能。

　　在科学载荷方面，嫦娥四号月球车延续了“玉兔”当年探月国产“三大件”，即全景相机、红外成像光谱仪和测月雷达。除此之外，嫦娥四号月球车还有一个“杀手锏”，那就是与瑞典合作的中性原子探测仪，这将是人类探月史上首次在月表开展这项探测活动。

▲具有科普教育意义的“月面微型生态圈”将随嫦娥四号“登陆月球”

　　值得一提的是，嫦娥四号月球车的总重量只有140公斤，是目前全球最轻的月球车。而1970年苏联发射的世界第一台无人驾驶月球车，此车重量约为756公斤。

　　作为嫦娥四号的“乘客”之一，月面微型生态圈也将入主月球，用于天体生物学实验和大众科普，使得嫦娥四号同时具备了科普教育功能。据了解，这个生态圈是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形罐子，重3公斤，罐内将放入马铃薯种子、拟南芥种子、蚕卵、土壤、水、空气以及照相机和信息传输系统等科研设备。届时，研究人员将密切关注罐内变化，看看能否开出一朵“月球花”。

　　多项技术待完善

　　嫦娥工程载人登月任重道远

　　2007年，探月工程先驱者“嫦娥一号”以受控撞月的方式 “粉身碎骨，捐躯报国”，额外完成任务；2010年，嫦娥二号在制作完全月球地图之后远飞深空，至今仍在不断地刷新着“中国高度”；2013年，嫦娥三号与她所携带的“玉兔号”月球车一同实现了登陆月球。

　　沉寂了将近5年之后，如今“嫦娥四号”和“嫦娥五号”将带着探月工程的使命继续出发，中国人自古以来的探月梦想，也将一步一步变为现实。

　　事实上，中国探月工程的正式建立和开展早已开始，早在九十年代初，中国月球探测工程首席科学家、被誉为“嫦娥之父”的欧阳自远院士就开始向“863”计划专家组提议，提出我国应该开展探月探测工程，但在环绕地球的神舟号航天飞船还未发射的彼时，不少人都觉得他的计划很荒唐，甚至有人骂他不切实际。

　　但欧阳自远一直坚信，中国不仅能搞探月，而且一定能搞好！为此，他与专家组花费了一年时间，完成了“中国月球探测必要性与可行性研究”。顶着质疑，经过几十年的相关科研知识研究与积累，2004年“嫦娥工程”被国务院正式批准立项。三年之后，嫦娥一号随即升空。

　　“嫦娥工程”按计划分为“无人月球探测”“载人登月”以及“建立月球基地”3个阶段。2020年前，中国月球探测工程以无人探测为主，分“绕”“落”“回”三个实施阶段，与之对应的则是“嫦娥一号”“嫦娥三号”和“嫦娥五号”卫星。

　　如今“绕”和“落”的两个步骤已经顺利完成，2019年，嫦娥五号将择机发射，并从月球带回两公斤重的月面土壤等样品，完成“绕落回”中的最后一个步骤，也是技术难度最大的“回”。

　历史上，不少人质疑美国阿波罗11号登月真实性，质疑点就在返回设备上，认为阿波罗11号登月舱，根本不具备从月球起飞，并对接轨道仓的技术。明年发射的嫦娥五号，成功采集月球土壤样本之后，将放入着陆器的上升段，该段从月面点火升空进入月球轨道，并与轨道器和返回器的联合体交会对接，将样品转移至返回器内。随后，轨道器携带返回器点火飞向地球。如果任务成功，嫦娥五号将突破“返回”方面的多项技术，为载人登月打下坚实基础。

　　张厚英表示，嫦娥五号已经无限接近真实的载人登月，两者之间最大的区别在于生命保障系统，因此嫦娥五号必须用载重量达25吨的长征5号运载火箭才能发射。尽管2017年长征5号的发射失败，给整个嫦娥工程的发射计划带来了一定影响，但他相信，明年的嫦娥五号一定能够成功发射，未来重载火箭的研发应用也将有序进行。

　　除了重载火箭，还有新型载人飞船、载人登月飞行器、载人月面着陆器、月面机动与探测、登月航天服、月面驻留与原位资源利用、航天员健康与保障、地月空间测控通信等一系列关键技术，都需要中国航天人去一一克服，嫦娥工程实现载人登月乃至建立月球基地，依然任重道远。

　　▲2016年11月03日，海南省文昌市，20时43分,中国最大推力新一代运载火箭长征五号，在中国文昌航天发射场点火升空，约30分钟后，载荷组合体与火箭成功分离，进入预定轨道，长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。