嫦娥四號將首次到達月球背面 帶你回顧人類探月征程

　　原標題：「嫦娥四號」發射成功，將首次到達月球背面！帶你回顧人類探月征程

　　來源：知識就是力量

　　圖文作者：龐之浩（空間探測首席傳播專家）

　　審稿：丁溯泉（曾任北京跟蹤與通信技術研究所工程師、中國載人航天工程辦公室高級工程師，現任北京天問空間科技有限公司總經理）

　　我國成功發射「嫦娥四號」月球探測器，它將在飛行27天後，著陸於月球背面預選著陸區，成為世界第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。自古以來，人類就對神秘的月球有著極大的興趣，也在不斷探索月球的秘密。今天，我們就一起來回顧人類漫漫的探月征程！

　　月球是離地球最近的一個星球，所以從古至今人類一直對它很感興趣。尤其是月球上有一些地球上稀有的寶貴資源、能源和特殊環境，開發它們可以造福於人類，推進科學發展；了解月球的起源對認識地球的起源和演變有幫助；它也可成為人類向外空發展的理想基地和前哨站。

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　　探月三部曲

　　截至2017年底，人類總共發射了132個左右的月球探測器，其中美國60個，蘇聯64個，中國4個，日本2個，歐洲1個，印度1個，成功率大約為50%，其中早期探月失敗很多。在這一過程中，全球月球探測大致經歷了三個發展階段：

　　第一階段 1958～1976年的美蘇空間競賽引發的首次探月高潮階段。當時蘇聯和美國展開了以探月為中心的空間競賽，發射了上百個形態各異的月球探測器，蘇聯有3個系列月球探測器，美國有5個系列月球探測器等。此外，美國還進行過6次載人登月。其主要目的是進行太空爭霸，開展空間探索。

　　第二階段 1976～1994年的深入研究探月意義的冷靜思考階段。在此階段只有日本進行過1次探月活動。其原因是隨著冷戰形勢的緩和；已經或準備探月的國家或組織開始總結探測活動耗資大、效率低和探測水平不高的經驗與教訓，然後提出新的探測思路和戰略；利用這一時期把月球探測技術向各領域轉化、推廣和應用；積極加速研製新的空間往返運輸系統和高效探測的裝備；用較長時間進行探測資料的消化、分析與綜合，將月球科學研究提高到更高理性認識的階段。

日本首個月球探測器飛天號與所攜帶的造箭室號子探測器（頂部）

　　第三階段 從1994年起至今開展的第二次探月高潮階段。因為通過大量地總結和分析以往探月的經驗、教訓和成果表明，探月具有多方面意義，對人類社會具有重要的推動作用。美國於1994年1月21日和1998年1月6日分別發射的「克萊門汀」、「月球勘探者」探測器，發現月球兩極存在大量水冰，從而進一步激發了人類新的探月熱情，於是拉開了第二次探月高潮的序幕。在進入21世紀後，全球探月再掀高潮，並呈現出許多與以往不同的新特點。

美國「月球勘探者」在軌飛行示意圖

　　隨著政治、科技和經濟等各方面發生的巨大變化，第二次探月熱潮與冷戰時期開展的第一次探月熱潮有明顯的不同，比如：

　　● 探測月球的目的由冷戰時期主要滿足政治和科學需要，改變為把科學探索和經濟利益相結合，以探測月球資源為主，為未來月球資源開發、利用打基礎。

　　● 探月的規模更宏大，採用的技術更新。在第二次探月熱潮發射的各類月球探測器無一失敗，這表明人類的探月技術有了較大提高。

　　● 打破了20世紀只有美蘇2個國家對月球探測的壟斷局面，歐洲、日本、中國、印度和美國等國家或組織都紛紛進行月球探測，並還將有越來越多的國家參與，且逐漸轉變成以國際合作方式為主。

採用國際合作的印度月船-1飛行示意圖

　　隨著月球探測技術水平的不斷提高，探測月球的方式也越來越多，從而使月球探測的廣度和深度不斷擴大。從月球近旁飛過或在其表面硬著陸的探月方式已不採用了，現在和可以預見的將來主要採用以下探月方式：

　　● 用繞月探測器的方式取得信息，這樣能有較長的探測時間並獲取較全面的資料。

　　● 探測器在月球表面軟著陸，以固定或漫遊車的方式進行實地考察、拍攝探測和取樣分析等。

　　● 用載人或不載人探測器在月面軟著陸後取得樣品返回地球，進行實驗室分析。

　　● 進行撞擊式探測，它與早期的硬著陸不同，是一種新興起的探測方式，主要是探測月球的內部結構和組成，發揮探測器的餘熱。當然，也有專用撞擊器。

　　● 在月球建立永久性載人基地，以開發和利用月球的資源、能源和特殊環境，並為載人火星航行開道鋪路。

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　　國外月球探測進程

　　在冷戰時期，主要是蘇美進行以政治目的為主，科學目的為輔的探月競爭。

　　蘇聯1959年1月2日發射的月球-1實現了人類首次飛越月球。此後一直到1976年，蘇聯先後發射了24個「月球」系列探測器，進行了巡視探測、採用返回探測等活動。蘇聯還發射過「宇宙」、「探測器」系列月球探測器。

蘇聯研製的世界第1輛能在月面自動行走的月球車

　　美國早期實施過6個探月計劃，即「先驅者」、「徘徊者」、「勘察者」、「月球軌道器」、「探險者」系列月球探測器和「阿波羅」系列載人登月飛船。

美國1966年5月30日發射的勘測者-1著陸器

　　儘管第一次探月高潮是以政治目的為主，但還是促進了一系列航天科學技術的新發展，帶動了一系列新技術的創新與推廣應用，大大提高了人類對月球、地球和太陽系的認識，使月球探測取得了劃時代的成就。

　　冷戰後，越來越多的國家參與了探月俱樂部，使探月呈現出精彩紛呈的新局面。1990年1月，日本在發射了飛天號月球探測器，打破了美蘇對探月的壟斷。

　　1994年1月25日，美國發射了「克萊門汀」月球探測器，獲得了當時最詳細的月球表面圖像，並發現月球南極可能埋有大量的水冰。

美國「克萊門汀」拍攝的月球表面圖像

　　1998年1月7日，美國發射了「月球勘探者」探測器，再次證實月球上有水冰，它在壽命末期撞擊了月球南極一座環形山內側的山壁，以確定是否存在水源。但遺憾的是，實施撞擊後未觀測到有水蒸氣出現，原因有多種。

　　2003年9月27日上天的歐洲斯瑪特-1主要成就有兩項：一是試驗太陽電推力技術；二是對月球進行研究和繪圖。斯瑪特-1是世界第1個正式應用太陽能電推進系統飛向月球的空間探測器。

歐洲斯瑪特-1掃描月面示意圖

　　2007年9月14日上天的日本月女神-1-由1個主探測器和2個子探測器組成，有些儀器的探測精確度是以往同類儀器的10～100倍。

日本月女神-1於2007年10月31日拍攝的月面照片

　　2008年10月22日上天的印度月船-1具有體積小、質量輕、造價低、眼神好等特點。其裝有1個月球撞擊器，並採用國際合作方式。

　　2009年6月18日，美國用1枚火箭發射了2個月球探測器——「月球勘測軌道器」和「月球坑觀測與感知衛星」。前者在距月面50千米圓軌道飛行，解析度優於1米，為目前世界最高，且仍在工作；後者是世界首個專用撞擊式月球探測器，它於2009年10月9日猛烈撞擊了月球。

美國「月球坑觀測與感知衛星」釋放「半人馬座」上面級撞擊器示意圖

目前仍在運行的美國「月球勘測軌道器」

　　2011年9月10日，美國發射了「月球重力恢復和內部實驗室」（簡稱「聖杯」）。它運行在月球上空50千米的近圓形月球極軌道，由兩個一模一樣的繞月探測器組成，主要任務是更精確地測量月球的重力場，研究月球的起源和演變。它於2012年底完成使命，進行了撞擊式探測。

美國聖杯-A、B在軌工作示意圖

　　2013年9月7日，美國發射了「月球大氣和塵埃環境探測器」。其任務是分析月球稀薄大氣組成成分，研究月球表面塵埃作用，了解未來月球探測活動可能對月球環境造成的影響，以及月球環境可能會對未來前往探測的人員和探月計劃本身有何影響。它還進行了月地激光通信傳輸試驗，通信速率達到以往方式的6倍。2014年4月18日，由於燃料耗盡，它按計劃高速撞擊了月球背面。

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　　中國月球探測進程

　　隨著我國經濟和科技的不斷發展，從2004年起，我國開始實施月球探測工程，即「嫦娥工程」。「嫦娥工程」採用繞月探測、落月探測和月球採樣返回探測，即「繞、落、回」三步走發展戰略實施，在工程和科學方面都取得了顯著成果。

　　「繞」 ：發射繞月探測器，對月球進行全球性普查。它原定通過發射嫦娥一號、二號繞月探測器來完成，其中嫦娥二號是嫦娥一號的備份。後來由於嫦娥一號表現出色，嫦娥二號繞月探測器改作探月第二階段的技術先導星。

中國嫦娥一號繞月探測器

　　2007年10月24日，我國發射第一個月球探測器嫦蛾一號。它運行在距月面約200千米高的圓形極軌道上，於同年11月20日傳回第1幅月面圖像，從而豎起了繼東方紅一號、神舟五號之後，我國航天的第三個里程碑。

　　在嫦娥一號上有8種科學儀器，用於獲取月球表面三維立體圖像，探測月表不同物質的化學元素和地月空間環境，首次用微波探測儀測量月壤的厚度。

嫦娥-1拍攝的月面三維立體圖

　　在超額完成各項任務後，為了積累落月過程式控制制和軌道測定方面的經驗，嫦娥一號於2009年3月1日受控撞擊了月球豐富海區域。它比原計劃多飛117天；飛行期間經歷3次月食；傳回1.37TB有效科學探測數據。

　　嫦娥一號獲取了世界第一幅全月圖，以及月表化學元素分布和礦物含量及月壤分布和近月空間環境等數據，填補了我國在探月領域的空白。

　　「落」 ：發射攜帶月球車的落月探測器在月面著陸，對著陸區附近進行區域性詳查。它原定通過發射嫦娥三號、四號落月探測器來完成，其中嫦娥四號是嫦娥三號的備份，後來嫦娥二號也用於這一階段任務，用於突破關鍵技術。

嫦娥二號通過「俯衝」對嫦娥-3預選著陸區進行高解析度成像

　　由於落月探測要突破等一系列關鍵技術，技術跨度和實施難度較大。因此，為了降低風險，在發射嫦娥三號之前，先於2010年10月1日發射了嫦娥二號。嫦娥二號運行在距月面100千米高的極軌道上，設計壽命半年，解析度7米，主要完成兩大任務：一是對新技術進行試驗驗證，對未來的預選著陸區進行高解析度成像；二是獲得更加豐富和準確的探測數據，深化對月球的科學認知。

　　2011年4月1日，嫦娥二號半年設計壽命期滿後，進行了拓展試驗，例如，2011年8月25日，嫦娥二號在世界上首次實現了從月球軌道出發，受控進入日地拉格朗日2點環繞軌道，使我國成為第3個造訪拉格朗日2點的國家和組織。

　　2012年6月1日，嫦娥二號又成功變軌，進入飛往小行星的軌道。同年12月13日，嫦娥二號與圖塔蒂斯小行星「擦肩而過」。它使我國成為世界第4個探測小行星的國家，開創了我國航天一次發射開展多目標多任務探測的先河。

嫦娥二號拍攝的圖塔蒂斯小行星

　　嫦娥三號是探月二期工程的主任務。2013年12月2日，我國成功把嫦娥三號直接送入地月轉移軌道。12月14日，嫦娥三號在月面軟著陸，首次實現了我國對地球以外天體的軟著陸。12月15日，嫦娥三號著陸器與月球車互相拍照，使我國成為世界第3個掌握落月探測技術的國家。它使我國取得了跨越式進步，直接獲得了豐富的月球數據，並經受了著陸、移動和長月夜生存三大挑戰。

嫦娥三號月球著陸器實景，其上的國旗採用特殊工藝和特殊合成樹脂、顏料，可始終保持鮮艷顏色

嫦娥三號著陸器拍攝的玉兔號月球車

　　在月球背面著陸進行探測，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。另外，月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號，因而在那裡能監測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，有望取得重大成果。

　　不過，由於在地球上永遠看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信。為此，我國先把「鵲橋」送入地月拉格朗日2點暈軌道。在這個軌道，「鵲橋」能同時看到地球和月球，此後在月球背面著陸的嫦娥四號與地球站之間提供通信鏈路。

「鵲橋」工作示意圖

　　2018年5月21日，我國發射世界首顆月球中繼星「鵲橋」，6月14日進入使命軌道。同年12月8日，我國發射嫦娥四號。它飛行27天後，著陸於月球背面預選著陸區，成為世界第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。

　　作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍是由著陸器和巡視器組成，但是因為嫦娥四號與嫦娥三號的科學目標差異很大，因此兩者所裝載的科學載荷有明顯變化，更換了部分科學載荷，其中有3台是國外的。嫦娥四號有三大科學任務：①對月球背面的環境進行研究；②對月球背面的表面、淺深層、深層進行研究；③用低頻射電探測儀探測宇宙天體。

與嫦娥三號著陸器相比，嫦娥四號著陸器增加了幾根長長的低頻射電天線

　　「回」 ：發射月球採樣返回器,。它在月面特定區域軟著陸並採樣，然後把月球樣品帶回地球進行精查。它原定通過發射嫦娥五號、六號採樣返回器完成，其中嫦娥六號是嫦娥五號的備份，後來又增加發射了嫦娥五號飛行試驗器，用於掌握嫦娥五號以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術。

　　嫦娥五號飛行試驗器於2014年10月24日升空了。11月1日，試驗器的返回器在內蒙古著陸。這是我國航天器第一次在繞月飛行後再入返回地球，它的成功表明，我國已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術。

嫦娥五號飛行試驗器的返回器成功在著陸區預定區域降落

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　　未來探月前景

　　2019年，印度將發射月船-2探測器。它由一個軌道器、一個著陸器和一輛月球車組成。其任務是演示驗證在月球上的軟著陸能力，對月球表面進行礦物和地質等方面的測繪和分析，探測月球上是否有水。

印度月船-2的著陸器和巡視器

　　同年，日本將發射「月球調查智能著陸器」。它將把著陸點精確控制在距離目標區域數百米的範圍內；落月時將實現月表地形的快速評估，迅速辨認可能的登陸障礙物；落月後將研究月球材料和表面微量氣體，為今後的載人登月做準備，並為無人探測器考察火星積累經驗。此後，日本還將發射月女神-2月球車。

　　2019年，我國將發射嫦娥五號採樣返回器，它是我國探月工程三期的主任務，由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。嫦娥五號不僅要完成落月，還要攻克「採樣」、「封裝」、「上升」、「對接」、「高速返回地球」等技術難題。嫦娥五號送到月球軌道後將兩兩分離，軌道器-返回器組合體留在軌道，著陸器-上升器組合體在月面上降落。著陸後，著陸器用兩個機械手進行月面採樣和鑽孔取樣，並將樣品放入上升器攜帶的容器里進行封裝；隨後上升器從月面起飛，與軌道器-返回器組合體交會對接，把樣品轉移到返回器後分離；軌道器-返回器組合體踏上歸途，以接近第二宇宙速度飛到距地球幾千千米時分離；最後返回器在預定著陸點降落。未來，中國還將對月球兩極進行著陸探測，建立月球科研站，最終實現載人登月的夢想。

嫦娥-5結構

　　美國計劃在2020年以後進行載人繞月飛行，然後與俄羅斯合作建立深空之門——月球空間站，最終將通過國際合作建立月球基地，為載人登火星奠定基礎。

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