中繼衛(wèi)星鵲橋

嫦娥四號月面工作示意圖

嫦娥四號發(fā)射示意圖

此時此刻，嫦娥四號正在星夜兼程，向距離地球約40萬公里外的月球飛去。作為人類第一個即將在月球背面軟著陸并開展探測和科學(xué)實驗的航天器，嫦娥四號任務(wù)的實施可謂全球矚目。

今年初，有關(guān)嫦娥四號發(fā)射初定在12月的消息一經(jīng)對外發(fā)布，就有國際航天界人士將其定義為2018年世界航天最重大事件，甚至把2018年稱為“探月中國年”。5月21日，旨在為嫦娥四號提供中繼服務(wù)的“鵲橋”衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著嫦娥四號任務(wù)正式拉開帷幕。

12月8日2時23分，隨著長征三號乙運載火箭沖天而起，本年度航天大戲的主角嫦娥四號隆重出場，它直上九霄，開啟奔月旅程。預(yù)計嫦娥四號將于2019年1月初在月球背面的南極附近實現(xiàn)軟著陸，隨后釋放月球車，進(jìn)行月面固定和移動巡視探測。嫦娥四號任務(wù)實施將由此進(jìn)入最激動人心的高潮。

①長路漫漫星途遠(yuǎn)

奔月征程雖然遙遠(yuǎn)，但是嫦娥四號自升空以來的星際之旅非常順暢。經(jīng)過僅1天多飛行，它就飛越了25萬多公里，進(jìn)入到地月轉(zhuǎn)移軌道段。2月9日16時42分，地面測控中心對其成功實施地月轉(zhuǎn)移軌道段的第二次軌道修正。地月轉(zhuǎn)移軌道段是嫦娥四號發(fā)射以來進(jìn)入的第二個飛行階段，這一階段預(yù)計將持續(xù)110個小時。之后，它將進(jìn)入繞月軌道段。

對于了解嫦娥工程發(fā)展歷程，特別是嫦娥三號月面軟著陸的人來說，嫦娥四號從發(fā)射到即將進(jìn)行的月面軟著陸的整個飛行過程并不陌生，兩者大體相似，都分為5個階段。第一階段為發(fā)射入軌段。嫦娥四號在運載火箭的推力下進(jìn)入太空，在約1200多秒內(nèi)，先后實現(xiàn)助推器分離、火箭一二級分離、二三級分離和嫦娥四號與火箭分離，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。第二階段為地月轉(zhuǎn)移段。嫦娥四號在此階段實現(xiàn)向環(huán)月球飛行軌道的過渡轉(zhuǎn)移。據(jù)了解，對于嫦娥四號來說，地月轉(zhuǎn)移段飛行時間約為110個小時。第三階段為近月制動段。嫦娥四號通過制動減速，從而被月球引力捕獲。據(jù)西安衛(wèi)星測控中心喀什測控站工程師介紹，嫦娥四號進(jìn)入繞月軌道時間預(yù)計比嫦娥三號當(dāng)年縮短約2個小時。第四階段為繞月降落段。嫦娥四號在月球引力作用下，作繞月球飛行并不斷下降高度，直至實現(xiàn)月面軟著陸。第五階段為嫦娥四號巡視器與著陸器分離，拍攝第一張月球背面照片，巡視器開始巡視探測，兩者所攜帶的設(shè)備和儀器陸續(xù)開始工作。

嫦娥四號飛行效率看來比嫦娥三號更高，較早進(jìn)入繞月軌道飛行。然而它繞月飛行的時間預(yù)計將比后者當(dāng)年多10多天。對此，嫦娥四號總設(shè)計師孫澤洲解釋說，繞月飛行時間之所以更長是為了讓嫦娥四號著陸時，所在區(qū)域的月面為白天，以利于其獲得充分太陽光。由于月球自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期相同，超過27天，其黑夜長約為地球上的14天，所以繞飛等待的時間顯得漫長。

②月背登陸是夙愿

月球公轉(zhuǎn)的周期與其自轉(zhuǎn)的周期相同，使得月球始終只有一面對著地球，而另一面則是鮮為人知的背面，在背面軟著陸并進(jìn)行探測，正是嫦娥四號肩負(fù)的使命。

人類探月已經(jīng)有約60年歷史，對月球的背面，人類當(dāng)然不是一無所知，航天器就曾多次傳回月球背面的照片，飛船內(nèi)的宇航員也多次觀察過那里，但是，到目前為止，還沒有人類探測器到達(dá)過那里。作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號在前者完美完成“測月、巡天、觀地”目標(biāo)的情況下，被賦予重任：實現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察。

軟著陸月球背面并進(jìn)行探測和實驗當(dāng)然不只是為了到達(dá)月球背面，創(chuàng)造人類探月歷史。那里既是理想的科研場所也是難得的科研對象。作為科研場所而言，由于月球背面沒有來自地球的無線電波的干擾，提供了射電天文觀測的最佳環(huán)境，利用這一得天獨厚的條件，架設(shè)無線電望遠(yuǎn)鏡，建立月球背面天文觀測基地，是人類夢寐以求的夙愿。嫦娥四號配備了國內(nèi)新研發(fā)的天文望遠(yuǎn)鏡“極低頻射電頻譜儀”，不僅可以用于研究太陽爆發(fā)、著陸區(qū)上空的月球空間環(huán)境，而且可以對來自太陽系行星的低頻射電場進(jìn)行觀測，“聆聽”來自宇宙更深處的“聲音”，接收各種長波、短頻的無線電信號，探索宇宙起源?？梢灶A(yù)期，嫦娥四號有可能開辟射電天文觀測的新境界。

作為全新的近距離探測對象，月球背面可謂是等待挖掘的科研“寶庫”。相對于正面，月球背面的很多信息不為人所知，而對其進(jìn)行探測將可能有前所未有的發(fā)現(xiàn)。比如，嫦娥四號目標(biāo)著陸區(qū)艾肯盆地，那里據(jù)信是40億年前被隕石撞擊形成的。其直徑大約2500公里，深度約12公里，是目前發(fā)現(xiàn)的太陽系固體天體中最大最深的盆地，包含著豐富的月球地質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的信息，等待嫦娥四號去探索挖掘。

③“鵲橋”中繼信號連

勇于探索就意味著必須面對更多更大挑戰(zhàn)。嫦娥四號選擇了在月球背面驚鴻一落，實際上就是為中國航天選擇了前所未有的高難度。嫦娥四號奔月與月面探測不僅要解決嫦娥三號面臨的所有困難，而且還要克服由“月背”帶來的獨特挑戰(zhàn)，具體來說主要有兩個。

一是月背軟著陸。中國科學(xué)院院士、嫦娥一號工程總指揮葉培健對此有一個形象的比喻。他說，如果把嫦娥三號當(dāng)年在月球虹灣的落月比作在華北平原著陸，那么嫦娥四號則相當(dāng)于在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸。其難度是可想而知的。嫦娥四號探測器副總師吳學(xué)英對著陸區(qū)介紹說，那是月球背面靠近南極一個叫馮·卡門的撞擊坑，鑒于月球背面山峰林立，大坑套小坑，這個地方已經(jīng)是落月的最佳選擇了。在凸凹不平的地方軟著陸，這就需要嫦娥四號更具慧眼，落得更穩(wěn)更準(zhǔn)，才能經(jīng)受住挑戰(zhàn)。

二是中繼測控。嫦娥四號雖然有一定自主能力，但是超遠(yuǎn)距離測控是其任務(wù)成功實施的必要保障，實際上，解決月背造成的特有數(shù)據(jù)傳輸問題是嫦娥四號任務(wù)實施的先決條件。為此，“嫦娥”還未出發(fā)，其先導(dǎo)鵲橋中繼衛(wèi)星就先行飛天，并運行至地月拉格朗日L2點，為實施月面與地面的通信信號“接力”做好準(zhǔn)備。雖然發(fā)射并使用中繼衛(wèi)星對中國航天來說并不是新鮮事，但是如此超遠(yuǎn)距離啟動信號中繼還是第一次，要克服的困難可以想象。

上述兩大挑戰(zhàn)是相互交織的。“鵲橋”數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^效果直接關(guān)系地面測控效果，進(jìn)而對月背軟著陸帶來重要影響。當(dāng)然了，在軟著陸之后的月面探測過程中，“鵲橋”中繼將始終發(fā)揮“風(fēng)箏線”的作用，完成超遠(yuǎn)距離的信號傳輸任務(wù)。

④月球新車進(jìn)前沿

對很多關(guān)注中國航天的人來說，嫦娥三號軟著陸成功后，巡視器玉兔月球車從著陸器上爬下來的鏡頭一定歷歷在目。嫦娥四號也即將上演類似的傳奇一幕。不過，與嫦娥三號的玉兔月球車命名相比，嫦娥四號的巡視器月球車顯得稍晚了一些，目前還沒有看到命名正式發(fā)布的信息，雖然其征名活動在今年8月份已經(jīng)展開并且有關(guān)方面隨后發(fā)布了十大候選名稱，其中包括“逐夢、光明、玉兔二號、探索”等。

與命名相比，實力當(dāng)然更重要。新的月球車在“玉兔”基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步升級改造。今年8月，有關(guān)方面舉辦的專題新聞發(fā)布會，對該月球車進(jìn)行了權(quán)威介紹。概括起來，新月球車比“玉兔”更優(yōu)秀的地方有兩點。

一是溫控防護(hù)。吸取了“玉兔”被月面極低溫凍壞的教訓(xùn)，新月球車專門配置了同位素?zé)嵩礊閮x器設(shè)備供熱。此外，通過優(yōu)化線路設(shè)計，盡可能減少裸露在外線路，更好對抗低溫。

二是科學(xué)載荷。嫦娥四號月球車延續(xù)了“玉兔”當(dāng)年探月國產(chǎn)“三大件”，即全景相機(jī)、紅外成像光譜儀和測月雷達(dá)。除此之外，它還有一個“殺手锏”級的裝備：中性原子探測儀。這是中國和瑞典合作的科學(xué)結(jié)晶，它將實現(xiàn)人類探月史上首次在月表開展這項探測活動。

特別值得一提的是，嫦娥四號月球車在實現(xiàn)升級的同時，其重量不僅沒有增加，而且還創(chuàng)全球目前重量最小的月球車紀(jì)錄。據(jù)悉，其總重量只有約140公斤。

除了新月球車升級之外，嫦娥四號著陸器能力也將進(jìn)一步提升。為更好適應(yīng)月背軟著陸要求，其著陸器具備更好的自主導(dǎo)航和避障功能，以便更好尋找地勢相對平坦的著陸區(qū)域。

⑤國際媒體齊點贊

嫦娥四號一直是國際媒體關(guān)注的焦點之一，特別是在12月8日升空以來，一批內(nèi)容豐富的深入報道紛紛見諸各類國際主流媒體，呈現(xiàn)全方位、多角度的立體報告態(tài)勢。

德國電視一臺網(wǎng)站聚焦中國新型月球車，在其12月7日的報道中，引用中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁的權(quán)威聲音，將月球車的優(yōu)異性能進(jìn)行了介紹和展示，突出其不僅能夠爬溝過坎，而且能夠長期在月面極端環(huán)境中工作。

英國《獨立報》網(wǎng)站近日刊文表示，中國嫦娥四號奔向月球暗面(背面)將是前所未有的太空之旅，將有助于揭開地球這位近鄰最為隱蔽的秘密。報道認(rèn)為，嫦娥四號登陸之后將很大程度上了解到那個不為人知的世界里的一系列情況，包括地表溫度、土壤的化學(xué)物質(zhì)等。

早在2017年底，英國《自然》雜志就在展望2018世界科技發(fā)展時，把中國嫦娥四號任務(wù)的實施列為年度最具影響力的12個科學(xué)事件之一。其表述為，中國嫦娥四號將于12月升空，成為首個在月球背面著陸和探索的探測器，中國有望由此成為首個到達(dá)月球背面的國家。臨近嫦娥四號發(fā)射時間窗口，該雜志再次聚焦嫦娥四號，向讀者預(yù)報了嫦娥四號發(fā)射的英國當(dāng)?shù)貢r間并稱中國以月亮女神命名的嫦娥四號探月，是人類探月邁出的歷史性一步。

西班牙《先鋒報》網(wǎng)站聚焦嫦娥四號即將開展的科學(xué)實驗，指出月球背面沒有來自地球的電磁干擾，嫦娥四號的月球車將可以更好地研究月球和太空。報道特別介紹了嫦娥四號攜帶的裝有馬鈴薯種子、擬南芥種子的罐子，指出科學(xué)家將借此測試植物是否能在月球上生長。