“嫦娥四號”為何要落月球背面

 

 

月球背面著陸地點，大紅圈為南極-艾肯盆地，小紅圈為馮·卡門撞擊坑。

 

 

▼與“嫦娥三號”著陸器相比，“嫦娥四號”著陸器增加了3根5米長的低頻射電頻譜儀天線。

 

 

“嫦娥四號”月球車外觀設(shè)計構(gòu)型。

 

經(jīng)過20多天的太空飛行，“嫦娥四號”很快將著陸于月球背面預(yù)選著陸區(qū)——月球南極-艾肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑，成為世界第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。“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。那么，“嫦娥四號”為什么要落到月球背面？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。

 

“嫦娥四號”落月探測器升空后，由于準(zhǔn)時發(fā)射、準(zhǔn)確入軌，原計劃在近月制動前實施的3次軌道中途修正，只于2018年12月9日進(jìn)行了1次，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

 

經(jīng)過約110小時奔月飛行，2018年12月12日16:45，“嫦娥四號”成功實施了近月制動，順利完成“太空剎車”，被月球捕獲，進(jìn)入了環(huán)月軌道。此前的12月12日16:39，“嫦娥四號”在距月面129千米處成功實施了7500牛發(fā)動機(jī)點火，約5分鐘后發(fā)動機(jī)正常關(guān)機(jī)，“嫦娥四號”順利進(jìn)入近月點100千米的環(huán)月軌道，近月制動獲得圓滿成功。

 

所謂近月制動就是給高速飛行在地月轉(zhuǎn)移軌道的航天器減速，使其被月球的引力捕獲，進(jìn)入環(huán)月軌道。“嫦娥四號”經(jīng)過約110小時飛行后，以10千米/秒左右的速度和月球相遇。此時它與月球的相對速度約為2.4千米/秒。到達(dá)制動點時，它需要通過減速發(fā)動機(jī)反推將速度降下來，制動量約為800米/秒，即將原本2.4千米/秒的相對速度降低到1.6千米/秒左右。“嫦娥四號”的“剎車”力度需要極其精準(zhǔn)。如果“剎車重了”，例如每秒的速度多減30米，可能會導(dǎo)致它撞上月球；如果“剎車輕了”，探測器速度過大的話，月球引力也會拉不住它。

 

有些人可能會問：在環(huán)月軌道運行這段時間內(nèi)探測器都干什么了？據(jù)悉，“嫦娥四號”落月探測器調(diào)整了環(huán)月軌道高度和傾角，開展了與“鵲橋”月球中繼星的中繼鏈路在軌測試和導(dǎo)航敏感器在軌測試，以確保“嫦娥四號”最終能進(jìn)入預(yù)定的著陸區(qū)，擇機(jī)實施月球背面軟著陸。

 

在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，月球背面具有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。

 

另外，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

 

不過，正是由于在地球上永遠(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。為此，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。“嫦娥四號”將分析該地區(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。

 

作為“嫦娥三號”的備份，“嫦娥四號”仍由著陸器和巡視器組成，但是因為“嫦娥四號”與“嫦娥三號”的科學(xué)目標(biāo)不同，因此兩者所裝載的科學(xué)載荷有明顯變化，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，這是因為“嫦娥三號”相當(dāng)于在華北平原著陸，而“嫦娥四號”則相當(dāng)于在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸。

 

月球正面有較為寬闊的平原，雖然也有許多隕石坑，但即使是坑底也相對平整，所以“嫦娥三號”是以弧形軌跡緩慢著陸。

 

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，很難找出再大一些、平坦一些的地方供“嫦娥四號”安身。由于“嫦娥四號”要在凹凸不平的地方軟著陸，所以需要具有比“嫦娥三號”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。

 

“嫦娥三號”在長月夜零下180℃的環(huán)境中是不能工作的，而“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”的月球車雖與“嫦娥三號”攜帶的“玉兔號”月球車外形和重量一樣，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)。

 

此外，“嫦娥四號”的月球車還針對“玉兔號”在執(zhí)行任務(wù)過程中遇到的一些問題，有針對性地進(jìn)行了電纜設(shè)計的改進(jìn)和試驗。“嫦娥四號”的月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗，同時也盡量減少電纜裸露在外的面積，減少電纜的故障風(fēng)險。

 

“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)。