看，這就是月球的背面！五年前的今天，嫦娥四號(hào)成功落月

2019年1月3日10時(shí)26分，我國(guó)“嫦娥四號(hào)”探測(cè)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(shí)現(xiàn)了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察，首次實(shí)現(xiàn)了地球與月球背面的測(cè)控通信，并首次進(jìn)行超地月距離的激光測(cè)距技術(shù)試驗(yàn)。

“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器創(chuàng)造了在月背工作最長(zhǎng)時(shí)間紀(jì)錄，獲取了大量月球的科研探測(cè)數(shù)據(jù)，為人類了解月球提供了更為豐富的資料。它為國(guó)際“探月旅程”提供了中國(guó)方案、中國(guó)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(qiáng)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?duì)繅?mèng)縈的地方。

2019年4月，以色列首個(gè)探月任務(wù)--創(chuàng)世紀(jì)號(hào)在成功繞月之后，于動(dòng)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(gè)月球著陸器--月船二號(hào)著陸器在動(dòng)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(diǎn)點(diǎn)”的十幾或者幾十公里距離里，無數(shù)探測(cè)器折戟于此。

因?yàn)樵诘厍蚍较虿荒苤苯涌吹健版隙鹚奶?hào)”落月過程，整個(gè)過程必須依靠探測(cè)器自主操控，而且回傳畫面會(huì)有延遲，所以對(duì)地面人員來說，落月過程幾乎就是一個(gè)“盲降”過程?！版隙鹚奶?hào)”的計(jì)劃著陸區(qū)雖然是位于相對(duì)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(gè)降落航跡下的地形起伏高達(dá)6公里。這意味著“嫦娥四號(hào)”可選擇的著陸范圍更小，而且它必須落得非常準(zhǔn)--一旦偏了一點(diǎn)，就可能落不進(jìn)平坦的預(yù)定著陸區(qū)，而是撞上崎嶇的高山低谷了。

為進(jìn)一步減少著陸位置的不確定性，研發(fā)人員設(shè)計(jì)“嫦娥四號(hào)”時(shí)考慮在環(huán)月階段增加修正軌道，并在動(dòng)力下降控制策略上進(jìn)行了一定調(diào)整。“在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)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(shí)候，是順著兩個(gè)梯子，這兩個(gè)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(tuán)隊(duì)成員做了幾千種可能情況分析，窮盡了各種極端情況，對(duì)算出的可能情況又增加難度做了實(shí)驗(yàn)。

能量供給更加可靠

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

這些儀器在月球背面通過就位和巡視探測(cè)，開展低頻射電天文觀測(cè)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(yàn)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(yàn)載荷。

一個(gè)月夜相當(dāng)于地球上14天。同時(shí)，月夜最低溫度可達(dá)零下180攝氏度。在沒有光照的漫長(zhǎng)黑夜里，對(duì)于依靠太陽(yáng)能提供能量的嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器來說，如何依靠自身存儲(chǔ)的能量安全度過月夜是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

面對(duì)這一難題，科研人員提出休眠喚醒概念。當(dāng)太陽(yáng)升起時(shí)，著陸器和巡視器將開始忙碌的工作--著陸器在原地實(shí)施科學(xué)探測(cè)，巡視器則開始“東奔西走”。當(dāng)月夜降臨時(shí)，巡視器會(huì)為自己找好棲身之所，收起桅桿，合上太陽(yáng)翼，開始休眠，直到太陽(yáng)照射到月球車太陽(yáng)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(cè)。

“嫦娥四號(hào)采用了國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的高效三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)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?yáng)電池電路負(fù)責(zé)人陳城說，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(biāo)上均優(yōu)于原電池，其可靠性也經(jīng)過了多重考核驗(yàn)證?！岸?，新電池降低了太陽(yáng)電池片的厚度，為太陽(yáng)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(hào)”探測(cè)器之所以能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)著陸，還有最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是中繼星--“鵲橋”的提前發(fā)射，它為地面與“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器之間搭建起了一座通信的橋梁。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院中繼星“鵲橋”主任設(shè)計(jì)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(dāng)于把一個(gè)地面站搬到了天上?！?/p>

“鵲橋”總設(shè)計(jì)師張立華說：”這個(gè)中繼星個(gè)頭不大，整星重量只有400多公斤，但它要一端連著遠(yuǎn)到8萬(wàn)公里的探測(cè)器，另一端連著40多萬(wàn)公里外的地球，這個(gè)距離很遠(yuǎn)，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(tuán)隊(duì)經(jīng)過多番設(shè)計(jì)試驗(yàn)，最終選擇了傘狀天線的新方案。這樣發(fā)射時(shí)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(fù)雜。因?yàn)樘炀€上有幾千個(gè)繩系控制點(diǎn)，為確保展開后符合型面精度要求，必須一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地通過手工調(diào)整到位?！皞闾炀€研制和衛(wèi)星測(cè)試的工作強(qiáng)度和壓力巨大，時(shí)間上又比較緊張，團(tuán)隊(duì)的科研人員經(jīng)常連續(xù)幾個(gè)月加班加點(diǎn)，最緊張時(shí)連軸轉(zhuǎn)，沒有周末和節(jié)假日。”張立華說。

“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(hào)”任務(wù)提供中繼服務(wù)，“鵲橋”還可開展科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)。其上搭載了荷蘭與中國(guó)科學(xué)家聯(lián)合研制的低頻射電探測(cè)儀，可“聆聽”來自宇宙深處的“聲音”。此外，還搭載了中山大學(xué)研制的激光角反射鏡，開展遠(yuǎn)距離激光測(cè)距試驗(yàn)，為未來的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院院士、空間科學(xué)首席科學(xué)家葉培建也表示，如果外國(guó)航天器想去月球背面探測(cè)，也可以通過這顆中繼星獲得幫助，這是中國(guó)對(duì)世界的貢獻(xiàn)。