登陸月球背面後，嫦娥四號將執行三大科學任務

知識 01-04

嫦娥四號傳回的首張月背圖像（圖片來源：中國探月工程）

經過了27天的漫長等待，嫦娥四號探測器於2019年1月3日上午10點26分在月球背面南極-艾肯盆地著陸，這是人類探測器首次月球背面軟著陸。嫦娥四號的成功降落將會為我們揭開月球背面的神秘面紗，極大推進月球探索的步伐。

撰文丨石峰

審校 | 郭弟均博士北京大學地空學院助理研究員

降落時機

5年前，嫦娥三號用了13天時間登陸月球。而嫦娥四號的登陸卻足足用了27天，為什麼這次花的時間會長一些？實際上，這是科學家和工程師嚴謹計算後的結果，嫦娥四號的出發時間和降落時間有著精準到秒的設計。

嫦娥四號月球探測器於2018年12月8日搭載長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心發射升空。此前，西昌衛星發射中心副總工程師庄軻在接受媒體採訪時表示：「發射窗口主要是基於探月軌道的特殊性設計的，我們從地球向月球軌道飛，一年只有這麼一個窗口期。」

圖片來源：cctv

經過4天的旅程，嫦娥四號於2018年12月12日來到了月球附近，在距離月球僅100千米的位置實現了完美的「太空剎車」，成功進入繞月軌道。然而，遺憾的是此時正值登陸點的夜晚，所以工程師們並沒有直接啟動降落程序。

我們知道，在地月「潮汐鎖定」的作用下，月球朝向地球的部分是固定的。隨著月球的自轉，月球表面被太陽照亮的部分會逐漸發生改變。

簡單地說，每月農曆十五前後，月球正面被照亮的區域多；農曆初一前後，月球背面被照亮的區域多。而嫦娥四號的登陸地點恰恰在月球背面。

航天科技集團五院嫦娥四號總設計師孫澤洲在接受媒體採訪時表示，為了讓探測器落到月球上就能充分獲取太陽能以便開展工作，就需要讓它在月球的白天著陸。因此，嫦娥四號最近一直在繞月軌道上待命。當太陽光在今天再次照亮月背時，嫦娥四號終於順利降落在月球表面。

降落地點

此次降落的地點位於月球背面的南極-艾肯盆地，這裡具有極高的科學研究價值。南極艾肯盆地形成於約43~41億年前，是原始月殼形成後已知的首個大型撞擊構造。

南極-艾肯盆地以及馮·卡門撞擊坑。圖片來源：NASA,Nature geoscience

北京大學地空學院的郭弟均博士在接受《環球科學》採訪時表示：「南極-艾肯盆地是已確認的月球上最大、最古老的撞擊盆地，平均直徑約2200 km，比月球的半徑還長500 km左右。南極艾肯盆地巨大的撞擊能量塑造了月球的內外結構和成分，對月球的後期演化具有重大影響。」

作為記錄下來的第一個發生在月球表面的外動力地質事件，南極-艾肯盆地代表了月球演化的一個重要轉折。因此在最新的月球地質年代劃分中，以南極艾肯盆地的形成為標誌，將月球的地質演化劃分了岩漿洋紀和艾肯紀（見圖表）。而嫦娥四號的科學探測數據將為進一步認識南極艾肯盆地和月球的演化提供重要線索。

月球地質年代劃分表。圖片來源：中科院地球化學研究所

降落過程

嫦娥四號實際上是嫦娥三號的備份探測器，其設計原理基本相同，然而由於降落目的地不同，此次的降落方式與之前有很大區別。

「嫦娥三號」和「嫦娥四號」著陸區位置分布圖。圖片來源：深空探測學報

據專家介紹，嫦娥三號在下降的過程中，參考了Apollo系列和ALHAT計劃的設計。整個動力下降過程分為6個階段：主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段和緩速下降段。

從示意圖中我們可以看出，嫦娥三號的降落軌跡相對平緩。這是由於其著陸地點為正面虹灣地區，地形平坦、起伏較小，因此可在主減速階段即可提前修正軌道，保證下降過程運動軌跡平穩。

今天，嫦娥四號的著陸區為月球背面的南極-艾肯盆地，這一地區地形複雜，遍布大量的撞擊坑和環形山，地形起伏程度明顯超過嫦娥三號的著陸區。在主減速階段的測距數據很可能與實際降落位置不同，若提前修正降落軌道可能存在風險。

因此，科學家優化了降落過程的制導程序，即在主減速階段結束後由斜向前的運動軌跡改為垂直向下運動。這樣，實際測距數據與著陸點位置基本會保持一致。隨後再通過測距敏感數據進行修正，保證高度方嚮導航的正確性，最終實現安全著陸。

嫦娥三號、嫦娥四號下降軌跡對比。圖片來源，深空探測學報

著陸準備

郭博士同時也表示，順利著陸僅僅是個開始，接下來的工作仍需萬分謹慎。嫦娥四號在南極-艾肯盆地的馮·卡門撞擊坑完成軟著陸後，就會展開太陽翼進行充電、展開定向天線並指向地球，做好釋放巡視器的準備。

由於南極-艾肯盆地周邊高山較多，著陸以後著陸器的通信和光照可能會被地形遮擋。若遮擋時間較長，太陽能電池片就無法提供電量，溫度會迅速降低，著陸器內部供電的蓄電池可能耗盡，發生斷電風險。因此，降落後著陸器、巡視器會首先判斷周圍情況。若光照環境較差，則可能進入短暫休眠狀態甚至「月食模式」（關閉所有有效載荷，採用蓄電池短期供電）。直到太陽能電池片受到光照重新運行，確保整體的供電安全後，才會喚醒嫦娥四號。