文　赵 玲

　　
　　
　　“明月几时有，把酒问青天”。作为地球的邻居，月球自古以来就是许多美好事物的象征。中国人对月亮一直有着延绵的情结，中国文人对月亮的情结更可谓是“极致”的。在中国文学史上，李白和苏轼，一个用诗，一个用词，造就了不朽的月神。遥望夜空，人们对看不到的月球背面充满了无限想象，因而有了“琼楼玉宇高处不胜寒”，有了“嫦娥奔月”，有了千年的“探月梦”。
　　“嫦娥应悔偷灵药，碧海青天夜夜心。”2004年，中国正式开展月球探测计划，并将第一颗绕月卫星命名为“嫦娥一号”。十多年来，“嫦娥一号”“嫦娥二号”“嫦娥三号”相继豪情远赴，承载着中国人的探月之梦，前赴后继。2018年年底，中国新一颗探月卫星整装待发。12月8日，西昌卫星发射中心成功发射了“长征三号乙”运载火箭，带着全人类的好奇心将“嫦娥四号”送到了月球背面。它即将实现人造航天器首次在月球背面的软着陆和巡视勘察，有望揭开月球背面的谜题。
　　
月球背面架“鹊桥”
　　由于地球与月球之间存在潮汐锁定现象，在地球与月球长期的相互作用中，月球朝向地球和背向地球部分的受力情况不尽相同，由此产生的潮汐力使月球的自转周期和公转周期最终趋于一致。因此，当月球向一个方向自转一定角度后，地球相对于月球的位置会向相同方向移动相同的角度，导致月球朝向地球的总是同一面。
　　自1969年人类首次登月，实现月球正面可见至今，半个多世纪过去了，神秘的月球背面却始终不为人知。其实，在过去的近60年里，人类陆续发射了超过100个月球探测器，其中有65个月球着陆器，但仅有非载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗系列看到过月球背面。月球背面究竟有什么神秘的阻力，致使人类即便在完成载人航天的情况下，依旧需要研究半个多世纪，才能完成月背着陆的任务呢？
　　1959年，苏联“月球”三号第一次传回了月球背面的图片，大面积环山的复杂地形让人类望而却步。好比直升机要在茂盛的丛林中安全降落一般，在错综复杂的月球背面实现软着陆需要极度精准的测算与规划。要实现这一目标，必须依赖强大的地月通信。而由于月球背面受到月球本身的阻挡，着陆其上的探测器无法和地球直接进行通信。
　　为了保障“嫦娥四号”顺利完成任务，2018年5月21日，我国发射了人类历史上首个月球信号中继卫星“鹊桥号”，相当于在“嫦娥四号”与地球间架设了一座“通信中继站”。
　　为了在太空中保证地月通信的稳定，“鹊桥号”必须定位在地球和月球连线外侧的拉格朗日L2点附近，选择一条独特的Halo轨道。拉格朗日L2点就是引力平衡、在较小天体外侧的点，同时也在月球背后。选择这个点有两个重大优势：首先，在此点上卫星可以随着这两个天体一同运动且位置不变；其次，两个天体引力平衡，卫星只需要极少的燃料就可以维持在正确轨道上。这样一来，“鹊桥号”中继卫星就名副其实地成为连接地球与月球的桥梁，为“嫦娥四号”的登月工作做好了铺垫。
　　
面临重重挑战
　　2018年12月8日，“嫦娥四号”在“长征三号乙”运载火箭的推动下成功发射升空，进入地月转移第一个飞行阶段，在历经4天多的飞行后顺利完成“太空刹车”，从地月转换轨道“变道”进入绕月轨道。
　　12月21日，“嫦娥四号”再传捷报——其在环月过程中顺利与“鹊桥号”中继星建立了连接，开始进行在轨信号测试。
　　这一刻，“嫦娥四号”吸引了全世界的目光，谁能想到，它曾是一名“替补队员”呢？
　　事实上，2013年12月2日，当“嫦娥三号”发射升空时，中国航天仓库中还有一颗与“嫦娥三号”技术状态基本一致的备份星。如果“嫦娥三号”在发射或飞行过程中遭遇意外，这位“替补队员”将再次出发，完成“嫦娥三号”没有完成的任务。当然，意外没有发生，“嫦娥三号”顺利完成了探月工程二期着陆月球的目标。因此，科学家和工程师们开始考虑将这位“替补队员”转正，在最大限度地利用现有产品的基础上对“嫦娥三号”的探测任务进行补充和拓展。在经过分析和研究后，这位“替补队员”被命名为“嫦娥四号”，并将成为人类历史上第一个在月球背面软着陆的探测器。
　　有专家称：“‘嫦娥四号’最大的难点在于月球背面地形条件的不确定性和信息、数据的传递的可靠性，相比‘（嫦娥）三号’卫星，‘嫦娥四号’绝非简单重复。”事实上，“嫦娥四号”面临比以往探月任务更大的挑战。
　　由于月球背面山峰林立，陨石坑密布，很难找出大一些、平坦一些的地方。“嫦娥四号”的着陆点为月球南极，处于月球背面的艾特肯盆地。该盆地直径大约2500公里，深13公里，从坑底最深处到最高处落差大约16公里，是太阳系内已知的最大、最古老的撞击坑，保存了原始月壳的岩石，收集这个区域岩石的数据可以帮助科学家们更好地理解月球的组成，具有极高的科学研究价值。但是，降落在该盆地却具有极高的难度。可供比较的是，“嫦娥三号”月球正面着陆区地形起伏仅800米，而“嫦娥四号”月球背面着陆区地形起伏达到了6000米。简单来说，“嫦娥三号”落的是平原，“嫦娥四号”去的是山区。
　　雪上加霜的是，即将进行的落月过程在地球上无法直接看见，所有的信息都需要在“鹊桥号”的中转下完成传输，这无疑大大增加了落月任务的风险。因为整个落月过程由我国航天器制导、导航与控制系统自主操控，加之回传画面的延迟，所以对地面人员来说，“嫦娥四号”的着陆过程近乎是“盲降”。
　　值得注意的是，由于月球背面崎岖不平，“嫦娥四号”着陆成功后，巡视器行进过程中同样要面对很多挑战。为了使“嫦娥四号”巡视器能在月球背面正常开展巡视探测，科研团队在“嫦娥三号”的基础上，对巡视器移动能力进行了强化。特别是在巡视器应对意外状况方面，科研人员开展了多项系统试验，并把每一个试验变化分解成多个环节，逐一开展详细验证。他们对石块落入车轮内部、驱动机构频繁启停及巡视器极限移动等状况均进行了逐一测试，对巡视器的移动速度、距离、越障能力等状态和参数，进行充分的地面力学分析和验证，并形成了应对方案。
　　为了提升“嫦娥四号”巡视器的通过性、机动性及地形适应性，科研人员还提升了巡视器的“智能”水平和“自主性”，使其具有一定的障碍识别和自主避障能力。同时，“嫦娥四号”还将面对月球背面更加猛烈的太阳风和宇宙射线的冲击。为使“嫦娥四号”经受住这些考验，科研人员对“嫦娥四号”的相关电子元器件都进行了强化。
　　另外，由于被地球潮汐锁定，月球的一年（围绕地球公转）等于一天（自转）。因而月球上半年/天是白天，半年/天是黑夜，一轮就是一个月，大概28天，月球正面和背面都是如此。白天时，月球上太阳能极其充沛，可以通过太阳能电池板充能，而晚上则不行。国际上，NASA“好奇号”火星车采用的是核电源供电，使用钚-238衰变放出的热量再经热电偶转换为电能（RTG），这种装置没有活动的部件，所以很可靠，并且放射性材料能够持续发热很多年。此次“嫦娥四号”首次采用了这种供电方式，但还是起辅助作用，主要还是靠太阳能板供电。据科学家介绍，这次使用的核电源功率还比较小，仅2瓦，与电脑上的USB口供电能力差不多，仅在月夜采集温度的时候采用。
　　
肩负艰巨任务
　　宇宙起源的演化是自然科学的基本问题，射电天文是研究宇宙的重要手段，但低频无线电波能够被地球电离层和磁层的等离子吸收，无法到达地面，几乎是射电天文观测的空白。长久以来，天文学家一直梦想能够进行低频射电天文观测，更深入地探索宇宙奥秘。然而，由于地球磁场和大气的屏蔽作用，在地面上无法开展低频射电天文观测。在月球正面开展低频射电天文观测也受到地球磁环境的干扰，观测效果不佳，而月球的背面则是观测的绝佳场所——月球尺寸足够大，能够阻挡来自地球无线电的干扰，月球的夜晚还同时能够阻挡来自太阳的干扰。
　　“嫦娥四号”着陆器在月球背面软着陆后，将开展月基低频射电天文观测研究，预期可以获得一批原创性、领先世界的科学成果。这些成果将填补射电天文领域在低频观测段的空白，促进对月球早期演化历史的新认知，对研究地球的早期历史也有重要价值，从而推动月球天文观测科学研究的深入。
　　我们都知道，月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源，开发和利用月球资源是人类进行月球探测的源动力之一。虽然月球正面也有含量丰富的矿产资源，但月球背面有独特的优势：由于地球遮挡了侵袭月球正面的太阳风，月球背面毫无遮拦，其月海中可能会有比正面浓度更高的核聚变材料氦-3。
　　通过“嫦娥四号”对艾特肯盆地的地形地貌、矿物组份、巡视区浅层结构、地幔物质等进行科学探测与研究，将为月球资源的开发利用提供极有价值的第一手资料，推动月球资源开发利用研究进程。
　　
层层递进的“嫦娥工程”
　　不止“嫦娥四号”，为了实现亿万中华儿女的探月梦，我国早在2004年就正式开展了月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。按计划，“嫦娥工程”分为“无人月球探测”“载人登月”“建立月球基地”3个阶段。我国目前处于“无人月球探测”阶段，该阶段又分“绕”“落”“回”三期。
　　第一步“绕”，即发射环月飞行的月球探测卫星。2007年10月24日发射的“嫦娥一号”卫星圆满完成了“绕月”使命；第二步“落”，即月球探测器在月面软着陆，进行月面巡视勘察，2013年发射的“嫦娥三号”实现了月球软着陆，标志着这一阶段任务已顺利完成；第三步“回”，即探测器完成月面巡视勘察及采样工作后返回。尚未发射的“嫦娥五号”任务就是实现无人自动采样返回。
　　不难看出，“嫦娥工程”的每一步都是对前一步的深化，并为下一步奠定基础。此次“嫦娥四号”携带了一个微型的封闭生态圈，里面装着南芥菜的种子与土豆，一些营养液、桑蚕及地球上的空气。科学家想看看这样的封闭生态圈会在月球表面的环境中变成什么样，从而为以后在月球上建造科研基地做铺垫。
　　此外，“嫦娥四号”还携带着来自其他国家的科学载荷，如德国研制的月表土壤中子及辐射剂量测定仪（LND）、瑞典开发的小型中性原子探测仪（ASAN），是我国与其他国家展开合作探测、共享数据的重要里程碑。
　　从“嫦娥一号”到“嫦娥四号”，直到未来的无数“号”，“嫦娥工程”层层递进，生生不息，开拓了中国航天活动的新领域，成为我国科技自主创新的一面新旗帜，对提高综合国力、增强民族凝聚力起到了重要作用。而在这背后，是一代代中国航天人刻苦钻研、无私奉献的不懈奋斗。正是因为这样，才托起了中华民族的“探月梦”和“航天梦”。科