嫦娥四號預計降落在馮-卡門撞擊坑：坑多，但可采更豐富的物質
「嫦娥四號落月」已經成為中國航天2019年元旦開年第一件大事，嫦娥四號預計在1月3日著陸，將降落在月球南極-艾特肯盆地中的馮-卡門撞擊坑。作為嫦娥三號的備份星，嫦娥四號在設計上與之基本相似，由於登月地點發生了變化，那麼嫦娥四號的降落程序方面也會做出一定的調整。為了順利保障嫦娥四號任務開展，2018年5月，鵲橋號中繼星發射，嫦娥四號登陸月背的硬體基本完成。從工程目標上看，嫦娥四號推動了鵲橋中繼星的研發，也是首次實現地月L2點測控與中繼通信，同時，嫦娥四號也將實現人類首次在月背軟著陸和月面巡視探測。
已經在軌運行的鵲橋中繼星，圖片來源：中國空間技術研究院
在攜帶的儀器方面，嫦娥四號首次對深空探測領域國際合作模式進行實踐，比如德國基爾大學研發的中子輻射劑量探測儀、瑞典研發的中性原子探測儀等。嫦娥四號攜帶的月面巡視器有效載荷中也配置了全景相機，屆時我們也將看到馮-卡門撞擊坑內部的情景。嫦娥三號上搭載的月基光學望遠鏡被取消，增加了低頻射電觀測儀，這是根據月背環境做出的調整。也暗示我國以後可能會利用月背進行大規模射電觀測，那麼嫦娥四號就是這個潛在計劃的先導探測器。如果這個計劃順利落實，那麼很可能是人類首次在月球背面部署一個大型射電望遠鏡。
嫦娥4號月球車構型圖，圖片來源：新華社
嫦娥四號月背軟著陸的技術難點
在月球表面軟著陸這個技術在半個世紀之前就已經實現，美蘇登月競賽中蘇聯以1976年月球24號作為月球任務的終結，該任務不僅成功實施月面軟著陸，也帶回了月球土岩樣本。任務設計相當於我國探月工程即將開始實施的嫦娥五號，可從月球表面返回樣本。嫦娥四號這次軟著陸選擇在月球背面，之前美蘇從來沒有嘗試過的區域，這是該任務的一個亮點。月球正面有大面積的月海，但背面卻不是這樣，月背地形複雜，有大量的撞擊坑、環形山。
降落在月球正面虹灣的嫦娥3號著陸器，圖片來源：中國空間技術研究院
與嫦娥三號降落的虹灣地區相比，艾肯盆地地形普遍複雜，大面積平坦區域較少，高大的環形山較多，容易影響嫦娥四號降落時對光照、通信的要求。因此月背降落的技術難點體現在動力下降控制策略需要調整、月面巡視程序改變以及通信保障等方面。與嫦娥三號所不同的是，嫦娥四號需要在動力下降過程中要提早將中增益天線指向鵲橋號中繼星，確保降落相機的數據可以傳回。同時需要對導航修正策略進行優化，避免地形大幅度起伏變化影響著陸，這一點與嫦娥三號降落虹灣有非常明顯的改變。在月面巡視方面，嫦娥四號著陸區位於月球南極，受著陸點太陽高度角的變化、高大山峰影響較大。
降落在馮-卡門撞擊坑：坑多，但有更豐富的物質可采
馮-卡門撞擊坑位於月球南極-艾特肯盆地中，直徑超過180公里，深度約3公里以上，形成時間超過40億年，由物理學家馮-卡門的名字命名。馮-卡門坑的北部與萊布尼茨環形山外側壁重疊，而且在其周圍還有多個撞擊坑，這些特點都暗示馮-卡門坑附近不止遭遇了一次撞擊，而且存在重複撞擊的現象。這說明馮-卡門坑形成過程中可能存在月幔物質通過後期岩漿噴發轉移到淺層月表，周圍多個撞擊事件產生的濺射物也會落在馮-卡門坑內，不僅會採集到更加古老的玄武岩或月幔物質，還會採集到撞擊月球的天體物質。嫦娥四號選擇這裡登陸，也試圖在一個人類未曾全面探索的方向上進行深挖，從另一個側面深入研究月球。同時，在嫦娥1號任務期間，月球重力場異常模型數據顯示，馮-卡門坑正下方存在一個質量瘤，其形成於一次後期大型撞擊事件。這也說明了馮-卡門坑具有更加複雜的礦物組分，嫦娥四號巡視器在此進行月面勘測，科學意義重大。
馮-卡門撞擊坑圖像，圖片來源：維基百科
探月工程未來方向
中國探月工程也稱為嫦娥工程，其目標是實現採集月球樣本返回地球，歷時大約20年左右，為載人登月目標做準備。目前嫦娥工程落實到二期階段，嫦娥四號屬於二期工程末端，接下來就是嫦娥五號，要實現月壤樣本返回地球。嫦娥四號對月背進行探測和月面巡視，有可能引導探月工程向月背發展。因為月球正面已經美蘇進行了大量勘察活動，恰恰是月球背面還沒有被開發，在月背展開無人探測或者對宇宙進行射電觀測，其意義更加重大，也可作為探月工程未來發展的一條路線。
嫦娥5號返回艙月面起飛設想，圖片來源：中國科學院
作者| 林文傑 川陀智庫高級研究員
審稿| 邵相軍 紫金山天文台博士
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