看，這就是月球的背面！五年前的今天，嫦娥四號成功落月

2019年1月3日10時26分，我國“嫦娥四號”探測器自主著陸在月球背面--馮·卡門撞擊坑內(nèi)，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)了地球與月球背面的測控通信，并首次進行超地月距離的激光測距技術(shù)試驗。

“嫦娥四號”探測器創(chuàng)造了在月背工作最長時間紀錄，獲取了大量月球的科研探測數(shù)據(jù)，為人類了解月球提供了更為豐富的資料。它為國際“探月旅程”提供了中國方案、中國智慧，在全人類的探月史上留下了濃墨重彩的一筆。

一波三折的創(chuàng)新歷程

由于月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等，又被地球潮汐鎖定，地球強大的引力使月球總是一面朝向地球，一面背向地球，月球的背面就成了人類一直魂牽夢縈的地方。

2019年4月，以色列首個探月任務(wù)--創(chuàng)世紀號在成功繞月之后，于動力下降階段不幸著陸失敗，墜毀在月球表面。同年9月，印度首個月球著陸器--月船二號著陸器在動力下降至距離月表2.1公里后失去聯(lián)系，最終軟著陸失敗，也墜毀在月球表面。從環(huán)繞到著陸，這“再靠近一點點”的十幾或者幾十公里距離里，無數(shù)探測器折戟于此。

因為在地球方向不能直接看到“嫦娥四號”落月過程，整個過程必須依靠探測器自主操控，而且回傳畫面會有延遲，所以對地面人員來說，落月過程幾乎就是一個“盲降”過程?！版隙鹚奶枴钡挠媱澲憛^(qū)雖然是位于相對平坦的馮·卡門撞擊坑內(nèi)部，但馮·卡門撞擊坑整體是位于月球背面崎嶇的南極--艾特肯盆地內(nèi)部的，整個降落航跡下的地形起伏高達6公里。這意味著“嫦娥四號”可選擇的著陸范圍更小，而且它必須落得非常準--一旦偏了一點，就可能落不進平坦的預(yù)定著陸區(qū)，而是撞上崎嶇的高山低谷了。

為進一步減少著陸位置的不確定性，研發(fā)人員設(shè)計“嫦娥四號”時考慮在環(huán)月階段增加修正軌道，并在動力下降控制策略上進行了一定調(diào)整。“在進行試驗的時候，也考慮了很多因素，比如說著陸器降落的地方最大能傾斜到多少度？如果是像張家界那樣的地形，車在往下走的時候，是順著兩個梯子，這兩個梯子一定是平行的嗎？如果梯子之間形成異面角度，角度最大又能是多少？”--團隊成員做了幾千種可能情況分析，窮盡了各種極端情況，對算出的可能情況又增加難度做了實驗。

能量供給更加可靠

嫦娥四號探測器由著陸器和巡視器組成，共配置包括2臺國際合作載荷在內(nèi)的8臺有效載荷，其中著陸器上安裝了地形地貌相機、降落相機、低頻射電頻譜儀、與德國合作的月表中子及輻射劑量探測儀等4臺載荷；巡視器上安裝了全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀和與瑞典合作的中性原子探測儀。

這些儀器在月球背面通過就位和巡視探測，開展低頻射電天文觀測與研究，巡視區(qū)形貌、礦物組分及月表淺層結(jié)構(gòu)研究，并試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環(huán)境研究。此外，著陸器還搭載了月表生物科普試驗載荷。

一個月夜相當于地球上14天。同時，月夜最低溫度可達零下180攝氏度。在沒有光照的漫長黑夜里，對于依靠太陽能提供能量的嫦娥四號著陸器和巡視器來說，如何依靠自身存儲的能量安全度過月夜是一個很大的挑戰(zhàn)。

面對這一難題，科研人員提出休眠喚醒概念。當太陽升起時，著陸器和巡視器將開始忙碌的工作--著陸器在原地實施科學探測，巡視器則開始“東奔西走”。當月夜降臨時，巡視器會為自己找好棲身之所，收起桅桿，合上太陽翼，開始休眠，直到太陽照射到月球車太陽翼的電池片上，喚醒“沉睡”的巡視器和著陸器，開啟又一次勘測。

“嫦娥四號采用了國內(nèi)最先進的高效三結(jié)砷化鎵太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率從原先的28.6%提升到30.84%?！碧皆鹿こ烫栯姵仉娐坟撠熑岁惓钦f，新的電池在光電轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓、輸出電流、抗輻照能力等技術(shù)指標上均優(yōu)于原電池，其可靠性也經(jīng)過了多重考核驗證。“而且，新電池降低了太陽電池片的厚度，為太陽電池‘減重’了10%，功率裕度則由原先的6%增大到了9%?！?/p>

“鵲橋”中繼星

“嫦娥四號”探測器之所以能夠?qū)崿F(xiàn)精準著陸，還有最關(guān)鍵的一點就是中繼星--“鵲橋”的提前發(fā)射，它為地面與“嫦娥四號”探測器之間搭建起了一座通信的橋梁。

中國航天科技集團五院中繼星“鵲橋”主任設(shè)計師孫驥說：“鵲橋”雖然不是主角，卻是重要的組成部分，其使命就是為月球背面的著陸器和巡視器提供通信服務(wù)，這就相當于把一個地面站搬到了天上。”

“鵲橋”總設(shè)計師張立華說：”這個中繼星個頭不大，整星重量只有400多公斤，但它要一端連著遠到8萬公里的探測器，另一端連著40多萬公里外的地球，這個距離很遠，所以通信天線的口徑必須要足夠大?！钡捎诨鸺臻g限制，上星的天線要面臨很多難題。

考慮到諸多因素，研發(fā)團隊經(jīng)過多番設(shè)計試驗，最終選擇了傘狀天線的新方案。這樣發(fā)射時天線可以收攏到最小，入軌后再展開，但這樣的天線加工裝配過程卻非常復雜。因為天線上有幾千個繩系控制點，為確保展開后符合型面精度要求，必須一個點一個點地通過手工調(diào)整到位?！皞闾炀€研制和衛(wèi)星測試的工作強度和壓力巨大，時間上又比較緊張，團隊的科研人員經(jīng)常連續(xù)幾個月加班加點，最緊張時連軸轉(zhuǎn)，沒有周末和節(jié)假日?！睆埩⑷A說。

“鵲橋”最終于2018年5月21日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空。除了為“嫦娥四號”任務(wù)提供中繼服務(wù)，“鵲橋”還可開展科學與技術(shù)實驗。其上搭載了荷蘭與中國科學家聯(lián)合研制的低頻射電探測儀，可“聆聽”來自宇宙深處的“聲音”。此外，還搭載了中山大學研制的激光角反射鏡，開展遠距離激光測距試驗，為未來的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。中國科學院院士、空間科學首席科學家葉培建也表示，如果外國航天器想去月球背面探測，也可以通過這顆中繼星獲得幫助，這是中國對世界的貢獻。