前沿科技丨看，这就是月球的背面！五年前，嫦娥四号成功落月

2019年1月3日10时26分，我国“嫦娥四号”探测器自主着陆在月球背面冯·卡门撞击坑内，在人类历史上首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察，首次实现了地球与月球背面的测控通信，并首次进行超地月距离的激光测距技术试验。

“嫦娥四号”探测器创造了在月背工作最长时间纪录，获取了大量月球的科研探测数据，为人类了解月球提供了更为丰富的资料。它为国际“探月旅程”提供了中国方案、中国智慧，在全人类的探月史上留下了浓墨重彩的一笔。

由于月球自转周期和公转周期相等，又被地球潮汐锁定，地球强大的引力使月球总是一面朝向地球，一面背向地球，月球的背面就成了人类一直魂牵梦萦的地方。

2019年4月，以色列首个探月任务创世纪号在成功绕月之后，于动力下降阶段不幸着陆失败，坠毁在月球表面。同年9月，印度首个月球着陆器月船二号着陆器在动力下降至距离月表2.1公里后失去联系，最终软着陆失败，也坠毁在月球表面。从环绕到着陆，这“再靠近一点点”的十几或者几十公里距离里，无数探测器折戟于此。

因为在地球方向不能直接看到“嫦娥四号”落月过程，整个过程必须依靠探测器自主操控，而且回传画面会有延迟，所以对地面人员来说，落月过程几乎就是一个“盲降”过程。“嫦娥四号”的计划着陆区虽然是位于相对平坦的冯·卡门撞击坑内部，但冯·卡门撞击坑整体是位于月球背面崎岖的南极艾特肯盆地内部的，整个降落航迹下的地形起伏高达6公里。这意味着“嫦娥四号”可选择的着陆范围更小，而且它必须落得非常准，一旦偏了一点，就可能落不进平坦的预定着陆区，而是撞上崎岖的高山低谷了。

为进一步减少着陆位置的不确定性，研发人员设计“嫦娥四号”时考虑在环月阶段增加修正轨道，并在动力下降控制策略上进行了一定调整。“在进行试验的时候，也考虑了很多因素，比如说着陆器降落的地方最大能倾斜到多少度？如果是像张家界那样的地形，车在往下走的时候，是顺着两个梯子，这两个梯子一定是平行的吗？如果梯子之间形成异面角度，角度最大又能是多少？”团队成员做了几千种可能情况分析，穷尽了各种极端情况，对算出的可能情况又增加难度做了实验。

嫦娥四号探测器由着陆器和巡视器组成，共配置包括2台国际合作载荷在内的8台有效载荷，其中着陆器上安装了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、与德国合作的月表中子及辐射剂量探测仪等4台载荷；巡视器上安装了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪。

这些仪器在月球背面通过就位和巡视探测，开展低频射电天文观测与研究，巡视区形貌、矿物组分及月表浅层结构研究，并试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境研究。此外，着陆器还搭载了月表生物科普试验载荷。

一个月夜相当于地球上14天。同时，月夜最低温度可达零下180摄氏度。在没有光照的漫长黑夜里，对于依靠太阳能提供能量的嫦娥四号着陆器和巡视器来说，如何依靠自身存储的能量安全度过月夜是一个很大的挑战。

面对这一难题，科研人员提出休眠唤醒概念。当太阳升起时，着陆器和巡视器将开始忙碌的工作，着陆器在原地实施科学探测，巡视器则开始“东奔西走”。当月夜降临时，巡视器会为自己找好栖身之所，收起桅杆，合上太阳翼，开始休眠，直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上，唤醒“沉睡”的巡视器和着陆器，开启又一次勘测。

“嫦娥四号采用了国内最先进的高效三结砷化镓太阳电池，光电转换效率从原先的28.6%提升到30.84%。”探月工程太阳电池电路负责人陈城说，新的电池在光电转换效率、输出电压、输出电流、抗辐照能力等技术指标上均优于原电池，其可靠性也经过了多重考核验证。“而且，新电池降低了太阳电池片的厚度，为太阳电池‘减重’了10%，功率裕度则由原先的6%增大到了9%。”

“嫦娥四号”探测器之所以能够实现精准着陆，还有最关键的一点就是中继星“鹊桥”的提前发射，它为地面与“嫦娥四号”探测器之间搭建起了一座通信的桥梁。

中国航天科技集团五院中继星“鹊桥”主任设计师孙骥说：“鹊桥”虽然不是主角，却是重要的组成部分，其使命就是为月球背面的着陆器和巡视器提供通信服务，这就相当于把一个地面站搬到了天上。”

“鹊桥”总设计师张立华说：”这个中继星个头不大，整星重量只有400多公斤，但它要一端连着远到8万公里的探测器，另一端连着40多万公里外的地球，这个距离很远，所以通信天线的口径必须要足够大。”但由于火箭空间限制，上星的天线要面临很多难题。

考虑到诸多因素，研发团队经过多番设计试验，最终选择了伞状天线的新方案。这样发射时天线可以收拢到最小，入轨后再展开，但这样的天线加工装配过程却非常复杂。因为天线上有几千个绳系控制点，为确保展开后符合型面精度要求，必须一个点一个点地通过手工调整到位。“伞天线研制和卫星测试的工作强度和压力巨大，时间上又比较紧张，团队的科研人员经常连续几个月加班加点，最紧张时连轴转，没有周末和节假日。”张立华说。

“鹊桥”最终于2018年5月21日从西昌卫星发射中心升空。除了为“嫦娥四号”任务提供中继服务，“鹊桥”还可开展科学与技术实验。其上搭载了荷兰与中国科学家联合研制的低频射电探测仪，可“聆听”来自宇宙深处的“声音”。此外，还搭载了中山大学研制的激光角反射镜，开展远距离激光测距试验，为未来的应用奠定技术基础。中国科学院院士、空间科学首席科学家叶培建也表示，如果外国航天器想去月球背面探测，也可以通过这颗中继星获得帮助，这是中国对世界的贡献。

来源：江苏省科学技术协会

编辑：陈超

审核：罗声

监制：蒋金轩