嫦娥四號「落月」，傳回照片！人類探測器首次月球背面軟著陸
嫦娥終於「落月」了！根據官方消息，北京時間 2019 年 1 月 3 日上午 10 點 26分，嫦娥四號月球探測器在經過 26 天的等待之後，終於著陸在了月球背面南極-艾特肯盆地內的馮?卡門撞擊坑內，實現人類探測器首次在月球背面軟著陸，並通過「鵲橋」中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。中國航天也因此在 2019 剛開年就摘下了一枚含金量極高的「金牌」。
（來源：新華網）
嫦娥四號的備份轉正之路
2018 年 12 月 8 日凌晨 2 時 23 分，中國長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心點火升空，成功將嫦娥四號探測器送上太空。在 12 月 30 日 8 時 56 分，嫦娥四號探測器在環月軌道成功實施變軌控制，由距月面平均高度約 100 公里的環月軌道，成功實施降軌控制，進入近月點高度約 15 公里、遠月點高度約 100 公里的環月軌道。不過，這裡有一點值得注意的是，嫦娥四號如此大費周章準備的「首次月球背面軟著陸」任務並非在嫦娥工程立項之初就計劃在內，而是隨著嫦娥三號任務的推進狀況而變化。
圖丨「嫦娥四號」升空（來源：中國探月工程）
2013 年 12 月 14 日嫦娥三號帶著中國的第一艘月球車——「玉兔號」成功軟著陸於月球雨海西北部（虹灣著陸區），表明其既定的「落月」任務目標已經達成，所以作為嫦娥三號備份的嫦娥四號便被賦予了一項新的使命，也就是今天的月背軟著陸。
在這種任務轉換中，嫦娥四號的科學目標已經從嫦娥三號任務的月球形貌與地質構造調查、月表物質成分和可利用資源調查以及進行月球內部的結構研究和日-地-月空間環境探測與月基天文觀測轉向了實現月基低頻射電天文觀測、月球背面巡視區形貌和月球背面巡視區淺層結構探測等。
工程目標也從嫦娥三號的突破月面軟著陸、月面巡視勘察、研製月面軟著陸探測器和巡視探測器、建立地面深空站、建立月球探測航天工程基本體系和形成重大項目實施的科學有效的工程方法上升到了人類首次實現月球背面軟著陸和巡視勘察以及首次實現地月 L2 點中繼星對地對月的測控、數據傳輸中繼。
圖丨 嫦娥四號探測器巡視器（左）、著陸器（右）、中繼星「鵲橋」（上）示意（來源：中國航天科技集團）
為了使嫦娥四號更加適應執行月背任務，科研人員對嫦娥四號進行了全面的升級。例如，在載荷方面，嫦娥四號與嫦娥三號攜帶的裝備大為不同。嫦娥三號攜帶的有效載荷大致可以分為三類：第一類是用來觀察月球的, 主要設備包括全景相機、地形地貌相機、測月雷達等；第二類是用來觀測宇宙的, 主要由月基光學望遠鏡承擔；第三類是用作觀察地球周圍的等離子層。
而因為嫦娥四號降落的月球背面可屏蔽地球無線電干擾，對於不少科學研究來說具有天然的優勢，所以科研人員將之前的觀測載荷都調整為科學載荷。此外，嫦娥四號還承擔了眾多國際合作任務，搭載了諸如荷蘭低射頻電探測儀、德國月表中子與輻射劑量探測儀、瑞典中性原子探測儀和沙特月球小型光學成像探測儀等 4 台國際合作科學載荷。
造訪「月之暗面」
對於月球這顆地球唯一的衛星，人類已經探索 60 余年，甚至在 1969 年至 1972 年期間，著名的「阿波羅工程」還先後將 12 位宇航員送上月球表面。但地球和月球之間因為潮汐鎖定，導致僅有 10% 至 20% 的月球背面的邊緣地帶可以從地球上看到，所以直到 1950 年代晚期，我們對月球背面認識依然很少，也因此其被冠以「月之暗面」名字。
從上世紀 50 年代開始，人類向月球發射了 100 多次探測器，1959 年蘇聯月球 3 號拍下了人類首張月球背面照片，1962 年 4 月 26 日，美國「徘徊者 4 號」成為首個在月球背面硬著陸的探測器，但並未傳回任何數據。
圖丨月球 3 號傳回的首張月球照片（來源：Wikipedia）
2010年 12 月 21 日，NASA 的「月球勘測軌道器」還拍攝了一組細節精細程度前所未有的月球背面照片，據此繪製的月背地形圖直觀地揭示了月球背面的地形。但由於探測器在月球背面無法直接實現與地球的測控通信和數據傳輸，所以迄今為止還沒有宇航員或月球車登上月球的背面。
為了解決這個問題，今年 5 月 21 日，連通地月的中繼衛星「鵲橋」發射成功，隨後於 5 月 25 日，探月工程嫦娥四號任務「鵲橋」中繼星成功實施近月制動，進入月球至地月拉格朗日 L2 點的轉移軌道。6 月 14 日，探月工程嫦娥四號任務「鵲橋」中繼星成功實施軌道捕獲控制，進入環繞距月球約 6.5 萬公里的地月拉格朗日 L2 點的 Halo 使命軌道，成為世界首顆運行在地月 L2 點 Halo 軌道的衛星。「鵲橋」承擔兩大任務：一是遙測與遙控航天器，二是負責地球和嫦娥四號之間的信號傳輸。
圖丨中繼衛星「鵲橋」（來源：中國探月工程）
此次嫦娥四號軟著陸的月球背面南極-艾特肯盆地是一片「處女地」，之前沒有任何探測器曾經到訪過。而接下來嫦娥四號還會派巡視器去勘探這裡的馮·卡門隕石坑。這個直徑達 180 公里的隕石坑被認為是月球最古老的撞擊特徵。這一次勘探會為我們了解月球、地球、太陽系的演化提供第一手數據和線索，也會豐富之後計劃發射的「嫦娥五號」數據樣本庫。
圖丨南極-艾特肯盆地（來源：Wikipedia）
除了勘探任務，著陸器此次還會進行第一次月球暗面低頻射電天文學實驗；開展觀察植物是否會在月球低重力環境中生長的調查；有望探測出國際上第一幅月背剖面圖；探測月球兩極是否存在水資源和其他相應資源等等。
當然，為了能夠適應月球背面更為複雜的環境，嫦娥四號也進行了重大的升級，例如，相較於前輩嫦娥三號以弧形軌跡緩慢著陸，嫦娥四號需要採取近乎垂直的降落方式。為此，著陸器具備很高的自主導航和避障功能。
圖丨嫦娥四號著陸器（來源：中國探月工程）
嫦娥四號此次還攜帶了一輛重量僅為 140 公斤的世界上最小的月球車巡視器。與「玉兔號」所不同的是，嫦娥四號月球車在晝夜溫差可達 300℃左右的月夜也要開展工作，為了避免裸露在外的電纜出現故障，科研人員在電纜摩擦方面進行了上千次實驗。
圖丨嫦娥四號月球車巡視器（來源：中國探月工程）
另外在能源供給方式上，嫦娥四號採取新的能源供給方式——同位素溫差發電與熱電綜合利用技術結合，也就是兩面太陽翼收集的太陽能和月球車上的同位素熱源兩種能源供給。當月夜來臨，同位素熱源將為儀器設備供熱，保證航天器在-180℃的環境中不受低溫影響。
回顧嫦娥工程
中國對於月球探測的論證始於 1999 年，當年，國防科工委組織有關部門系統地論證了月球探測的科學目標，2000 年，中國科學院通過了對科學目標的評審，並據此科學目標開始研製有效載荷。從 2002 年起，國防科工委組織科學家和工程技術人員研究月球探測工程的技術方案。經過兩年多的努力，深化了科學目標及其實施途徑，落實了探月工程的技術方案。
2004 年 1 月，國務院批准繞月探測工程立項，命名為嫦娥工程。根據方案規劃，嫦娥工程將分階段實施「繞」、「落」、「回」的探月三期工程，最終在 2020 年左右實現全部探月工程，為後續的「登月」和「駐月」活動開闢道路。
「繞月」
一期工程實現繞月探測，由嫦娥一號任務組成。於 2007 年 10 月 24 日成功發射，嫦娥一號衛星經地球調相軌道進入地月轉移軌道，實現月球捕獲後，在 200 公里圓軌道開展繞月探測。
圖丨探月工程一期嫦娥一號軌道示意（來源：中國探月工程）
該項目使得我國初步掌握繞月探測基本技術、首次開展月球科學探測、初步構建月球探測航天工程系統、為月球探測後續工程積累經驗。
任務期間，8 台科學載荷開展了有效的探測，開展全局性、普查性的月球遙感探測。任務取得圓滿成功後，於 2009 年 3 月 1 日嫦娥一號衛星受控撞月。
「落月」
二期工程實現月球軟著陸和月面巡視勘察等，由嫦娥二號、三號、四號任務組成。
二期工程先導星嫦娥二號，於 2010 年 10 月 1 日成功發射，直接進入地月轉移軌道，實現月球捕獲後，在 100 公里圓軌道，7 種科學載荷開展了多項科學探測，並為後續嫦娥三號任務驗證了部分關鍵技術。
圖丨探月工程二期嫦娥二號軌道示意（來源：中國探月工程）
2011 年 6 月 9 日，嫦娥二號完成預定各項探測任務後，飛離月球軌道，經過 77 天飛行，嫦娥二號在世界上首次實現從月球軌道出發，受控準確進入日地拉格朗日 L2 點的環繞軌道，開展了日地拉格朗日 L2 點探測和圖塔蒂斯小行星飛越探測等多項拓展試驗，成為了繞太陽飛行的人造小行星，預計 2029 年將再次飛回地球附近 700 萬公里處。我國也成為世界上繼歐空局和美國之後第三個造訪 L2 點的國家和組織。
作為嫦娥三號月球軟著陸項目的先導，嫦娥二號驗證了多項關鍵技術，包括突破直接進入奔月軌道的彈道設計技術、運載火箭低溫三子級滑行時間可調技術，利用 CZ-3C 運載火箭將衛星直接送入地月轉移軌道，降低二期工程後續任務的實施風險。
在嫦娥二號衛星上搭載 X 頻段應答機，與我國 X 頻段地面測控設備配合，驗證 X 頻段測控體制，為嫦娥三號任務積累工程經驗。
通過選擇與嫦娥三號任務相似的奔月、月球捕獲軌道，通過實際飛行掌握直接奔月和 100km 近月捕獲技術，為嫦娥三號任務探索技術途徑；嫦娥二號衛星在 100km 軌道長時間運行，探測 100km 軌道空間環境，積累更多的近月空間環境數據，提高月球探測熱紅外分析模型的準確性。
另外，嫦娥二號開展 100km×15km 軌道機動試驗，驗證嫦娥三號任務著陸前在不可見弧段變軌的星地協同程序；在 100km×15km 軌道飛行期間，驗證 100km×15km 軌道快速測定軌能力，這些測定軌數據對深入研究月球重力場分布，提高重力場模型精度有重要意義。
配置降落相機，校驗其對月成像能力；試驗強糾錯能力的 LDPC 信道編解碼技術，提高衛星遙測鏈路性能，為探月工程和其他深空探測項目提供技術儲備；將衛星數傳碼速率提高至 6Mbit/s，試驗 12 Mbit/s，以期滿足數據傳輸量增大的需求。
在 100km×15km 軌道，CCD 立體相機在 15km 近月點處對嫦娥三號任務預選著陸區進行優於 1.5m 解析度成像試驗；在 100km 圓軌道，對預選著陸區進行優於 10m 解析度成像。利用預案著陸區月表圖像，繪製三維地形圖，有利於定量評估預選著陸區的特性，提高嫦娥三號任務著陸安全性。
圖丨嫦娥二號（來源：中國探月工程）
除了為後續探測器提供技術的驗證之外，嫦娥二號也完成了其既定的工程目標，包括利用 CCD 立體相機獲取高解析度的月球表面三維影像，結合激光高度計獲取的月表地形高程數據，可獲取月球表面高精度地形數據，為後續著陸區優選提供依據，同時為劃分月球表面的地貌單元精細結構、斷裂和環形構造，提供原始資料。
利用經技術改進的γ射線譜儀和 X 射線譜儀，探測月球表面 9 種元素——硅、鎂、鋁、鈣、鈦、鉀、釷、鈾的含量與分布特徵，獲得更高空間解析度和探測精度的元素分布圖。
利用微波探測技術，測量月球表面的微波輻射特徵，獲取 3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz、37GHz 的微波輻射亮度溫度數據，估算月壤厚度。
嫦娥二號衛星在軌運行期間正是太陽活動高峰年，是探測研究太陽高能粒子事件、CME、太陽風，及它們對月球環境影響的最佳探測時期。利用太陽高能粒子探測器和太陽風離子探測器，獲取行星際太陽高能粒子與太陽風離子的通量、成分、能譜及其隨時空變化的特徵，可研究太陽活動與地月空間及近月空間環境的相互作用；獲取地月空間環境數據，可為後續探月工程提供環境科學數據。
嫦娥三號是二期工程的主任務，於 2013 年 12 月 2 日發射，完成地月轉移、繞月飛行和動力下降後，2013 年 12 月 14 日中國的第一艘月球車——「玉兔號」成功軟著陸於月球雨海西北部（「虹灣著陸區」），巡視器成功駛離著陸器並互拍成像，實現中國航天器首次地外天體軟著陸與巡視勘察。
圖丨探月工程二期嫦娥三號軌道示意（來源：中國探月工程）
探測器採用鈈一 238 同位素熱源、兩相流體迴路供熱，攜帶的 8 台科學儀器，開展了多項科學探測與巡視勘察，獲得大量科學探測數據，實現了預定科學目標。
2016 年 8 月 4 日，在超負荷工作 19 個月之後，嫦娥三號探測器正式退役，停止了長達 31 個月的工作，同時也創造了迄今為止人類探測器月面工作時間的最長記錄。
圖丨嫦娥三號月面巡視器和著陸互拍（來源：中國探月工程）
「返回」
三期工程將實現月面自動採樣返回，並開展月球樣品地面分析研究。由嫦娥五號任務組成。作為中國探月工程的收官之作，嫦娥五號主要科學目標包括對著陸區的現場調查和分析，以及月球樣品返回地球以後的分析與研究，預計將在今年下半年發射。
圖丨探月工程三期嫦娥五號軌道示意（來源：中國探月工程）
當然，月球也僅僅是中國深空探測的一小步，接下來，嫦娥六號或將開啟月球「探登駐」的第二個階段，為建立月球長期基地探路。此外，根據國防科工局系統工程司副司長趙堅在第九屆中國國際航空航天高峰論壇上所透露的消息，中國已計劃於 2020 年左右實施首次火星探測任務，2021 年實現火星著陸，中國空間技術研究院正在研製的火星探測器。再過十年，更加遙遠的小行星、火星取樣返回以及木星探測等深空探索任務也都有希望實現。
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