今天，是嫦娥四号探測器月背軟着陸五周年。2019年1月3日，嫦娥四号探測器成功着陸在月球背面的預選地區，并通過鵲橋中繼星傳回世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，揭開了古老月背的神秘面紗。嫦娥四号任務實作了人類探測器首次月背軟着陸、首次月背與地球的中繼通信中國與多個國家和國際組織開展了具有重大意義的國際合作，開啟了人類月球探測新篇章。2019年，“嫦娥四号捷報頻傳，收獲衆多舉世矚目的科技成果，成為國際航天界的明星。
玉兔二号巡視器全景相機對嫦娥四号着陸器成像
嫦娥四号着陸器地形地貌相機對玉兔二号巡視器成像
為什麼要探測月球背面？
古人今人若流水，共看明月皆如此。有趣的是，不僅古人今人共看同一輪明月，而且看到的還是明月的同一面一一這是因為月球的自轉周期與繞地球公轉周期一緻，是以月球朝向地球的一面始終不變，人類無法直接觀測到月球背面的景象。
近60年來，世界各國先後開展過110多次探月活動，成功實施了數十次無人探月和載人登月，獲得大量關于月球地形地貌、元素分布、重力場、磁場等科學資訊。但是，對月球背面的探測成果非常有限，前蘇聯和美國曾利用繞月探測器進行月背地形觀測和影像繪制，然而還沒有探測器能夠在月球背面着陸，月背探測猶如隔着一層面紗，始終未能深入。
月球背面探測具有重要的科學價值，讓科學界孜孜以求。一方面，月背地質情況與月面不同，研究月背地質演化曆史對了解月球形成、地月系初期曆史和月球深層次構造具有重要意義。月球背面分布有大量高地地形，遍布撞擊坑和環形山。著名的南極-艾特肯盆地位于月背南部，是太陽系規模最大、最古老的撞擊盆地，它成型于，39.2億年前，最深處達13千米，代表其經曆的撞擊事件可能挖出月殼深處甚至月慢的物質，是研究月球演變曆史和深部物質組成的鑰匙與視窗。
嫦娥四号着陸區地理實體命名影像圖
另一方面，從月背開展電磁波天文觀測可以獲得人類從未接觸過的資訊，将揭露豐富的科學内容。長期以來，科學家們主要通過電磁波開展天文觀測，進而認識宇宙。人類已開展過紫外、射電、X射線、紅外及毫米波等絕大多數譜段的觀測，但由于電離層阻擋和地球射電幹擾，未能有效實施低頻射電天文觀測。低頻觀測對于全天空成像、宇宙黑暗時期特征、太陽實體和空間天氣等具有重要的研究價值。月球背面避開了地球表面的電磁幹擾，成為非常理想的宇宙低頻射電觀測場所，為研究太陽、行星及太陽系外天體提供可能，也将為研究恒星起源和星雲演化提供重要資料。
為什麼沒有國家登陸月球背面?因為難度很大。為什麼“嫦娥四号”一定要挑戰月背着陸?因為還沒有人去過，為了探索未知，“沒有人去過”就是挑戰的理由。
探月工程十年磨劍，“嫦娥一号”繪制形成全月地形影像圖和三維立體圖，探測清楚月球外圍空間環境以及月表岩石的成分、類型和分布;“嫦娥二号”完成7米分辨率的全月球數字影像圖和三維立體圖，探訪日地拉格朗日點;“嫦娥三号”成功實施月球着陸開辟大陸月球“巡天、觀地、測月”的曆史。在一次次探月任務的積累和前行中，經過一輪輪漫長而艱苦的反複論證和嚴謹試驗，“嫦娥四号”瞄準登陸月背，跨出人類新的一步。
怎樣探測月球背面？
探月的每一步邁出，都需要攻克無數的科學技術難題。通信、着陸區選擇、登月時機、軌道控制和着陸技術都是“嫦娥四号”面臨的重大挑戰。
通信是首要問題。月背始終背朝地球，探測器受月球球體阻隔，無法與地球直接通信，是以月球背面一直沒有留下人類探測器的“腳印”。對此，大陸發射鵲橋中繼衛星，并克服運作軌道、通信鍊路設計、傳輸時延等一系列挑戰，打造地月通信橋梁。“鵲橋”運作在繞地月L2點的Halo軌道，位于距地40多萬公裡、距月6.5萬公裡的地月延長線上，地月兩大天體的引力和離心力在此達成巧妙平衡，“鵲橋”僅用少量燃料即可保持平穩，并同時“看見月背與地球。這一軌道構想曾由美國在1967年提出，但由于高風險和高技術複雜度從未實作。“鵲橋”勇敢選擇并成功進入使命軌道，成為人類首顆月球通信中繼衛星。
月球背面山峰林立，地形崎岖，在哪個位置更容易實施軟着陸并有良好的科學效益?“嫦娥四号”團隊綜合考察了科學探測價值、中繼通信可見性、熱環境和光照環境、着陸過程航迹高程起伏變化、着陸點散布範圍、探測器測控、軌道可達性、着陸時太陽高度角和推遲着陸的适應能力等因素，最終将月背着陸區定于南極-，艾特肯盆地内的馮·卡門撞擊坑。
“嫦娥四号”要跨越漫長的地月距離，切換多個軌道，并于月背白天實施軟着陸，這需要在整個飛行過程中計算和保持與日、地、月的相對關系。其中，奔月軌道要調整近月點位置和飛行時間，讓“嫦娥四号”的環月軌道經過着月點上空，并在月背的白天抵達着月點上空;奔月飛行中，“嫦娥四号”太陽帆闆與陽光入射方向保持一定範圍的夾角，以保障能量供應;奔月和登月過程中，要保持地面對“嫦娥四号”的通信連接配接，在通信延遲的幹擾下預先開展精準測控。為滿足多種限制條件，科研人員計算出分布在2天裡的4個共計6分鐘的發射時間視窗，這對運載火箭的适應能力提出嚴峻挑戰，要能夠滿足在兩天裡迅速切換不同發射時間視窗，适應任務需求，要提高火箭主要分系統和重要單機的可靠性，確定在短至1~2分鐘内的視窗内準時發射。
月背着陸是終極挑戰。南極-艾特肯盆地的地形和高程圖異常複雜，航迹地形起伏劇烈，高度變化速度超過史上任何一次着陸，月背着陸如同風暴洋裡沖浪。“嫦娥四号”需要翻越崇山峻嶺抵達着陸區，克服地形起伏帶來的導航誤差。對此，“嫦娥四号”團隊優化軌道設計和控制，使探測器進入着陸區域;精細化發動機推力的在軌标定，優化了整個探測器動力下降和着陸過程的政策，設計了光學避障、雷射三維成像避障、兩輪避障等接力避障方式，保證最終精确着陸。在最終降落階段，“嫦娥四号”先降後升，而後進入長距離垂直下降過程，其間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過程，經曆一系列複雜的“走位”，實作“定點、定時、精确”的着陸。
讓構想照進現實——“嫦娥四号”任務一覽
克服重重困難，突破各類問題，“嫦娥四号”一步一步從構想走向現實。
2018年5月21日，鵲橋中繼星發射升空，首先進入預定地月轉移軌道，經過四天飛行和近月制動，順利進入月球至地月L2點的轉移軌道，并借力飛往地月L2點，再經過3次軌道捕獲和修正控制，進入Halo使命軌道成為人類曆史首個造訪這一空間的航天器，為“嫦娥四号”搭建起地月通信“生命線”。
12月8日，“嫦娥四号”發射升空，進入地月轉移軌道，經過中途軌道修正和5天旅程，通過近月制動成功進入圓形月球軌道，在完成與鵲橋星的兩次通信測試後再次變軌進入落月橢圓軌道。2019年1月3日，“嫦娥四号先後完成主減速段、調姿下降段、懸停段、緩速下降段、緩沖着陸段等過程，穩穩地着陸在預定區域裡，完成人類首次月球背面軟着陸的壯舉。
着陸月面後，在鵲橋星的支援下玉兔二号巡視器離開着陸器，踏上月球表面，着陸器上的監視相機拍下了“玉兔二号”在月背的第一道痕迹影像圖并把世界第一張近距離月背圖傳回地面。1月4日—11日，在首個月晝工作期内，嫦娥四号着陸器有效載荷開機開始探測工作，完成對着陸點周圍地形環拍:“玉兔二号”順利完成中繼星鍊路連接配接，有效載荷開機、科學實驗項目順利開展，傳輸探測資料，并與着陸器完成互拍任務。至此，嫦娥四号任務圓滿成功，中國探月工程取得“五戰五捷”。
1月29日和30日，“玉兔二号和嫦娥四号着陸器先後完成自主喚醒.安全度過首個月夜。着陸器的月夜溫度采集器成功監測到第一月夜溫度變化情況，在最低-190℃的長時間極低溫環境中，着陸器和巡視器經受住考驗，關鍵裝置按預定程式通電開機，通過鵲橋中繼星向地面的通訊和資料傳輸狀态穩定按計劃繼續開展第二月晝的科學探測。
之後，“嫦娥四号”連續曆經月晝月夜考驗，開展一系列科學實驗，不斷取得新的成果。12月20日，“嫦娥四号”成功自主喚醒，進入第十三月晝，悄然打破蘇聯“月球車一号”保持了49年的世界紀錄，成為人類在月面工作時間最長的月球車。嫦娥四号着陸器上月球中子及輻射劑量探測儀、低頻射電譜儀按計劃開機工作，開展既定的科學探測。玉兔二号月球車在巡視期間對多個探測點進行科學探測工作，搭載的紅外光譜儀對一枚月表石塊進行了成像和紅外探測，全景相機、中性原子探測儀、測月雷達獲得了大量科學探測資料。
嫦娥四号着陸器和玉兔二号巡視器完成第十三月晝工作，進入月夜休眠
嫦娥探月工程是大陸最具标志性大型科學研究項目之一，從“嫦娥一号”到“嫦娥五号”，中國登月探索的腳步從未停止，嫦娥四号任務更是為中國航天邁出了突破性的一步。2020年，嫦娥五号實作了中國首次月球采樣傳回任務。2024年前後，嫦娥六号計劃實施發射。它将再次去往月球背面，執行月背采樣傳回任務，增進人類對月球的認知。
第9月晝期間，“玉兔二号”在月球背面的撞擊坑中發現了不明膠狀物質
本文節選自《探索月球“新大陸”——嫦娥四号月背着陸一周年回顧》，載于《太空探索》雜志2020年第2期。
文/楊詩瑞
編輯/楊斯爽
稽核/穆檀
監制/姜軍