嫦娥四号成功发射：本是备胎 华丽逆袭

　　▲2018年8月15日，中国国家国防科技工业局探月与航天工程中心正式对外公布嫦娥四号月球探测器——着陆器和月球车外观设计构型

　　原标题 嫦娥四号成功发射：本是备胎，华丽逆袭！替人类到去月球背面看看
　　来源 北京科技报
　　记者 赵天宇 编辑 刘昭
　　采访专家：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”。

　　▲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。

　　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。

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