原標(biāo)題：人類首次!嫦娥四號為啥能在月球背面干成這件大事?
1月11日下午，探月工程傳來捷報，嫦娥四號任務(wù)取得圓滿成功，在人類歷史上首次實現(xiàn)了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察，首次實現(xiàn)了月球背面與地球的測控通信，揭開了古老月背的神秘面紗，在月球背面留下了人類探月的第一行足跡，開啟了人類探索宇宙奧秘的新篇章。而這是中國航天科技人員，不畏高風(fēng)險和高難度，攻堅克難，勇于創(chuàng)新的結(jié)果。
今天下午，舉世矚目的嫦娥四號探測器的著陸器和玉兔二號巡視器順利實現(xiàn)互拍，并傳回照片，標(biāo)志著嫦娥四號任務(wù)取得圓滿成功。過去一周多時間，嫦娥四號成為全世界的焦點。
距離地球40多萬公里的月球背面，被稱為“秘境中的秘境”，公元2019年沉寂了億萬年的月球背面第一次迎來了地球訪客。北京時間1月3 日上午10時26分，中國人研制的嫦娥四號探測器，順利降落在月球背面馮·卡門撞擊坑內(nèi)預(yù)定的著陸區(qū)里。
11時40 分，嫦娥四號傳回世界上第一張近距離拍攝的月背影像圖，人類第一次近距離揭開了古老月背的神秘面紗。
順利著陸11個多小時后，嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器成功分離，玉兔二號巡視器——也就是月球車順利駛抵月背表面。玉兔二號是人類送上月球的第7輛月球車，也是第一輛在月球背面行駛的月球車。
嫦娥四號成功著陸月球背面的消息發(fā)布，引起了國際主流媒體和國際航天專家的高度關(guān)注。美聯(lián)社、路透社、法新社等國際主流通訊社也紛紛以“人類首次”來描述嫦娥四號成功著陸月球背面的消息。英國《衛(wèi)報》也把這次著陸定義為“人類太空探索的巨大飛躍”。美國國家航空航天局局長布里登斯廷第一時間發(fā)表推文，祝賀中國嫦娥四號成功著陸月球背面，并指出這是人類首次，更是一項“令人印象深刻的成就”。
美國休斯敦大學(xué)教授太空建筑中心負(fù)責(zé)人奧莉佳·巴諾娃說：“中國嫦娥四號成功登陸月球背面的消息，絕對是人類航天史上的一大重要成就，這次的行動將能揭開月球背面神秘的面紗，所以這是個非常重要的成就。”
月球背面對于人類而言，有許多未知等待著解答。由于被地球潮汐鎖定，地球強大的引力讓月球總是一面朝向地球，所以人類在地球上只能看見月球的正面，背面則看不見。人類探測器要想安全著陸月球背面，最大的挑戰(zhàn)就是月球背面復(fù)雜的地形。月球背面分布著大量的撞擊坑、環(huán)形山，山峰起伏，崎嶇不平，可供選擇的理想的平坦著陸區(qū)非常少。嫦娥四號研制團(tuán)隊根據(jù)工程要求，經(jīng)過長達(dá)多個月對月背地形的研究分析，最終選擇月球背面南極艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑作為預(yù)定的著陸地點。
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號著陸器總體主任設(shè)計師李飛說：“嫦娥三號在月球正面，地形地貌相對比較平坦，當(dāng)時選擇了一個長360余公里，寬90公里的大面積平坦區(qū)域。到了嫦娥四號，最終選擇在馮·卡門撞擊坑的東南側(cè)，在坑的邊緣以及中央峰中間選擇了一個相對平坦的區(qū)域，最終選定在50余公里乘30公里這樣一個面積，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于嫦娥三號正面著陸區(qū)范圍。”
馮·卡門撞擊坑是月球背面最古老的撞擊坑之一，經(jīng)過幾十億年的風(fēng)化，在地形復(fù)雜的月球背面，已是相對比較平坦的區(qū)域了。這里的緯度和嫦娥三號著陸區(qū)的緯度比較接近，因為“嫦娥四號”是“嫦娥三號”的備份，設(shè)備參數(shù)基本一致，選擇相同緯度有利于嫦娥四號進(jìn)行軟著陸。同時，科學(xué)家推測，馮卡門撞擊坑由于歷史悠久，可能留存了月球形成和太陽系起源的痕跡，有著很大的科學(xué)探測價值。
探月工程總設(shè)計師、中國工程院院士吳偉仁說：“撞擊坑很深，而且又很大，直徑是180公里，科學(xué)家認(rèn)為坑撞擊以后，把月幔、月殼里面的東西給撞出來了，這是最有研究價值的，因此決定到這個坑里面去探測，我們總要找科學(xué)探測的最大值。”
嫦娥四號的著陸區(qū)面積不到嫦娥三號著陸區(qū)面積的5%，嫦娥四號要想準(zhǔn)確飛向這個小小的著陸區(qū)，最大的難點是提高著陸精度，而控制著陸精度的最關(guān)鍵一步，是選準(zhǔn)在環(huán)繞月球軌道上開始下降的那個初始點。
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號著陸器總體副主任設(shè)計師周文艷說：“下降的初始點與嫦娥三號相比，嫦娥三號的落點范圍比較大，它可以允許在十幾度的范圍內(nèi)變化。而嫦娥四號著陸范圍落點精度要求比較高，對于這個點只允許有零點幾度的偏差。為了到達(dá)這個初始點我們計算了成千上萬條軌道，并從中選擇了一條適合工程約束能量最省的軌道，并在飛行中對它進(jìn)行不斷調(diào)整，讓它精確地到達(dá)這個初始點。”
下降初始點距離月球背面高度為15公里，從動力下降指令發(fā)出到著陸，只有短短的720秒，嫦娥四號要經(jīng)歷主減速、快速調(diào)整、接近、懸停、避障等多個環(huán)節(jié)，由于速度快，飛行距離短，地面指令的上傳速度跟不上嫦娥四號速度和位置的變化，所以這一階段嫦娥四號完全是自主控制、自主躲避障礙物、自主選擇理想著陸地點。這一階段，嫦娥四號可能遇到的最大風(fēng)險是撞到山峰或者掉到坑里。為了應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，嫦娥四號研制團(tuán)隊設(shè)計了新的自主導(dǎo)航控制著陸的策略。
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)主任設(shè)計師關(guān)軼峰說：“嫦娥三號整個著陸過程是一個相對來說傾斜下降的過程，嫦娥四號由于月球背面山峰林立，為了保障著陸器下降過程中不撞到月球山上，所以類似于定點跳傘著陸。發(fā)動機在15公里開機進(jìn)行減速制動，減速過程自動到馮卡門撞擊坑上方后，它的水平速度基本消除了，大概在6公里以后，整個探測器垂直往下降落。”
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號探測器系統(tǒng)項目執(zhí)行總監(jiān)張熇說：“第一張是那張，還沒有巡視器的監(jiān)視像機C拍的，大家能看到前面不遠(yuǎn)處就有一個坑，那個坑大概離著陸點有20米左右，說明避障很好發(fā)揮了作用。因為如果一個著陸腿踩到坑邊，可能就會翻了，還是覺得很自豪，我們終于找到很好的著陸點。”
嫦娥四號要順利完成月球背面軟著陸和巡視勘察，還面臨著一個最大的障礙，那就是通訊難題。由于地球與月球背面之間無法直接通信，必須采用中繼星中繼的方式。為此，我國發(fā)射了世界首顆地月中繼通信衛(wèi)星“鵲橋號”，承擔(dān)起嫦娥四號在月球背面和地球通信的任務(wù)。
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號中繼星總設(shè)計師張立華說：“在月球軌道上或者是除了地球軌道以外，鵲橋應(yīng)該說是第一個專用的中繼通訊衛(wèi)星--它離月球背面的著陸器和巡視器，距離也是比較遠(yuǎn)的，最遠(yuǎn)達(dá)到了近8萬公里，在這樣遠(yuǎn)的通訊距離下如何保證中繼通訊性能，應(yīng)該說也是我們面臨的一個挑戰(zhàn)。”
由于中繼星接收信號的能力無法與裝備大口徑天線的地面測控站相比，加之距離月球遙遠(yuǎn)，接收信號非常微弱，不到手機信號的萬分之一，數(shù)據(jù)傳輸速率碼數(shù)也非常低。在研制過程中，科研人員一度面臨信號解調(diào)質(zhì)量差的難題。
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號中繼通信載荷技術(shù)負(fù)責(zé)人張愛兵說：“為了解決這個問題我們采用了新的算法，測試應(yīng)該都是上千次測試。”
這次嫦娥四號探測器攜帶的巡視器月球車被命名為玉兔二號，和嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車相比有了不少改進(jìn)。玉兔號月球車在落月后的第二個月晝時，出現(xiàn)了突發(fā)故障，累計只行駛了110多米。
探月工程總設(shè)計師、中國工程院院士吳偉仁說：“我在現(xiàn)場發(fā)動有關(guān)系統(tǒng)、工作人員、科研技術(shù)人員一起千方百計搶救，但是最后沒有搶救過來，感到很遺憾。整個工程很成功，但是留下瑕疵，這也反映出我們對月球環(huán)境的認(rèn)識還不深入。主要是有一些外露的電纜經(jīng)過高溫低溫以后，電纜表面催化，在行駛過程中剮蹭出現(xiàn)短路。”
針對玉兔號出現(xiàn)的故障，這次玉兔二號進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)。不但電纜綁扎得更加精細(xì)，而且還采取了故障隔離的設(shè)計。
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號探測器系統(tǒng)總設(shè)計師孫澤洲說：“一個點上出現(xiàn)問題后，我們要系統(tǒng)做有效隔離。有效隔離就是不要把這個故障進(jìn)一步擴大，使它影響只控制在小的區(qū)域。這樣系統(tǒng)能夠承受到一個區(qū)域，一個范圍之內(nèi)，相當(dāng)于我們家里用電，不能由于一家出現(xiàn)短路，導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能用。”
由于月背地形復(fù)雜，科研人員最擔(dān)心玉兔二號與地面失去聯(lián)系。為此，科研人員對玉兔二號的自主能力也進(jìn)行了升級，包括自主休眠，自主地應(yīng)對光照的遮擋。低溫或失聯(lián)的狀態(tài)下就先“睡會”，太陽出來再工作。
目前，嫦娥四號著陸器和玉兔二號巡視器上搭載的科學(xué)儀器都陸續(xù)開始工作，包括科學(xué)家們特別看好的低頻射電頻譜儀。因為這里常年背對地球，可以屏蔽來自地球的無線電信號干擾，為利用宇宙低頻輻射研究太陽、行星及太陽系外天體提供可能。
航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號探測器系統(tǒng)項目執(zhí)行總監(jiān)張熇說：“空間的低頻射電觀測也是天文學(xué)家夢寐以求的一個探測方式，國際上美國人發(fā)了兩顆衛(wèi)星，當(dāng)然不僅只做低頻射電觀測，而是做整個太陽其他的一些觀測，經(jīng)費應(yīng)該在20多億人民幣量級上。我們嫦娥四號到背面，首先是環(huán)境比軌道上測低頻射電更好，同時也是在經(jīng)費非常有限的情況下實現(xiàn)載荷，應(yīng)該說也是一個比較大的創(chuàng)新吧。”
據(jù)了解，除了我國自主研制的科學(xué)載荷外，嫦娥四號任務(wù)還與俄羅斯、荷蘭、沙特、德國以及瑞典等國家合作，搭載了多臺國際載荷，這在我國探月工程中也是首次。特別是針對美國國家航空航天局提出，利用美國正在月球軌道上運行的LRO衛(wèi)星，來觀測嫦娥四號的著陸活動，中方給予了合作。
探月工程總設(shè)計師中國工程院院士吳偉仁說：“我們跟美國進(jìn)行了通力合作，精確提供了我們的軌道數(shù)據(jù)，以及準(zhǔn)確的降落時間和準(zhǔn)確的降落地點。我們也希望他們以后能夠在這方面開展更加有效的合作，我們歡迎他們隨時觀察嫦娥四號著陸器和月球車。我覺得探月工程是和平事業(yè)，是人類共同的事業(yè)，我們應(yīng)該有這種合作的心胸和大國的姿態(tài)。”
嫦娥四號這次在月亮背面順利軟著陸，標(biāo)志著中國已經(jīng)具備全月球到達(dá)能力。工程任務(wù)圓滿成功后，嫦娥四號任務(wù)將轉(zhuǎn)入科學(xué)探測階段，著陸器和巡視器將繼續(xù)開展就位探測和月面巡視探測。中國探月工程，分“繞、落、回”三期，我們已順利走出了前兩步，下一步，嫦娥五號將執(zhí)行“回”的任務(wù)。我們期待，嫦娥五號順利實現(xiàn)中國人第一次月面自動采樣返回的任務(wù)。
