這一刻，注定要在人類的太空探索史上留下濃墨重彩的一筆。3日，飛行約40萬公里之后，嫦娥四號探測器成功降落于月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預(yù)選著陸區(qū)，實(shí)現(xiàn)了人類探測器首次月球背面軟著陸和首次月背與地球的中繼通信，開啟了月球探測的新篇章。
“嫦娥四號原來是嫦娥三號的備份星，三號成功后備份轉(zhuǎn)正份，那么第二次著陸要選擇哪里？我們認(rèn)為應(yīng)該賦予四號更強(qiáng)的生命力和更多功能。從上世紀(jì)50年代開始，發(fā)射到月球的探測器和軌道器已經(jīng)有100多個，但都是對月球正面的探測，至今沒有任何一個月球探測器能夠?qū)崿F(xiàn)在月球背面軟著陸。因此，經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了嫦娥四號月球背面軟著陸和巡視探測的總體方案。”中國探月工程總設(shè)計(jì)師、中國工程院院士吳偉仁解釋了嫦娥四號任務(wù)的由來。
中國航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號探測器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲說，嫦娥四號任務(wù)實(shí)際上是“兩器一星”，包括了著陸器、巡視器和“鵲橋”中繼星，其中先期發(fā)射的中繼星就是為了實(shí)現(xiàn)對地、對月的中繼通信，而巡視器更多地被人們稱為“月球車”。
月背任務(wù)克三難
由于月球繞地球公轉(zhuǎn)的周期與月球自轉(zhuǎn)的周期相同，所以月球總有一面背對著地球，這一面被稱為月球背面。正因?yàn)楸硨Φ厍颍谠虑虮趁鎸?shí)現(xiàn)軟著陸，探測器與地球的測控通信和數(shù)據(jù)傳輸成為首先要解決的難題。此外，月球背面并不像正面那樣平坦，著陸區(qū)的選擇及精準(zhǔn)著陸也是難題。
在兩位總設(shè)計(jì)師看來，嫦娥四號任務(wù)的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個方面。
首先是地月L2點(diǎn)軌道的精確設(shè)計(jì)與控制，要使中繼星穩(wěn)定運(yùn)行在L2點(diǎn)的軌道上。
其次是地月L2點(diǎn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)中繼。“選擇L2點(diǎn)有很多好處，但也有不足之處，那就是距離月球7.9萬公里、距離地球4萬公里，遙遠(yuǎn)的距離讓信號衰減的問題更棘手。地月之間通信、探測器的狀態(tài)控制等，都要靠中繼星來保障，還要考慮到通信時間、測控時間的延遲，因此，中繼星的精準(zhǔn)可靠至關(guān)重要。”孫澤洲解釋說。
第三是復(fù)雜地形的安全著陸。吳偉仁打了個比方：“月球正面就相當(dāng)于我國的大平原，地勢平坦；但背面就有點(diǎn)像我國的西南山區(qū)，到處都是高山和撞擊坑，月背可供選擇的著陸區(qū)范圍只有正面的1/8。嫦娥三號著陸時可供選擇的區(qū)域范圍長約300公里、寬約90公里，而嫦娥四號只能在有限的相對大的撞擊坑里尋找相對平坦的位置作為著陸區(qū)，選擇范圍長寬各十幾公里。此外，嫦娥三號當(dāng)時是斜著降落的，嫦娥四號如果也是斜著下來就要撞山了。在復(fù)雜的地形下，嫦娥四號要近乎垂直降落，著陸時間短、航程短，風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)比較大。”
精準(zhǔn)落月有妙招
孫澤洲介紹，此次嫦娥四號的落月可以說是“正中靶心”，嫦娥四號全自主動力下降，通過慣性導(dǎo)航及與月面相對測量導(dǎo)航，按照既定制導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸。
與嫦娥三號相似，嫦娥四號探測器也經(jīng)歷了點(diǎn)火準(zhǔn)備、主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段以及緩速下降段等動力下降過程，實(shí)現(xiàn)從距離月面15公里高度安全下降至月球表面的軟著陸。全過程用時約690秒。不同之處在于，嫦娥四號在15公里到8公里高度為傾斜下降，8公里之后就改為垂直向下，引入相對于月面的測量導(dǎo)航。孫澤洲解釋：“這樣就可以克服著陸區(qū)周邊地形起伏的問題。”
為了增加著陸的安全性，嫦娥四號探測器會通過接力避障的方式。下降至2公里左右，探測器會做一次光學(xué)的初避障，主要識別大障礙。下降至100米左右，探測器會做一個懸停，利用激光敏感器實(shí)現(xiàn)精避障，識別0.2米障礙、坡度等，通過地形的最優(yōu)識別方法找到安全區(qū)域降落。嫦娥四號的自主能力有很大提升，“如果找不到安全區(qū)域，嫦娥四號會選擇相對次優(yōu)的區(qū)域，還可以做水平機(jī)動調(diào)整。”
著陸地點(diǎn)費(fèi)思量
嫦娥四號的首選著陸地點(diǎn)，是位于月球背面南極—艾特肯盆地中部的馮·卡門撞擊坑。為什么選擇這里？
孫澤洲解釋說，月面不同緯度所面臨的熱控和能源設(shè)計(jì)是相互約束、相對矛盾的。如果降落到低緯度地區(qū)，光照條件好、能源獲得充足，但對于熱控是巨大的挑戰(zhàn)；如果降落在高緯度地區(qū)，熱控壓力大大減少，但太陽能獲取又受到影響。綜合考慮多種因素，嫦娥三號按照中高緯度降落來進(jìn)行設(shè)計(jì)，嫦娥四號在月球背面著陸的緯度也確定在40度—50度的范圍內(nèi)。
此外，探測器與中繼星L2點(diǎn)的通信問題也是考慮因素之一。“如果探測器仰角太低，勢必更容易受到周圍山地的影響。我們希望探測器能夠高仰角對中繼星通信，這樣一來，經(jīng)度也大致確定了，大的區(qū)域范圍就出現(xiàn)了。同時還要選擇相對大一些、平坦一些的撞擊坑，就確定了艾特肯盆地。”
艾特肯盆地是目前發(fā)現(xiàn)的太陽系固體天體中最大最深的盆地，直徑大約2500公里，深度約12公里，90%的面積都分布在月球背面。“盆地確定后，還要篩選出有特點(diǎn)的撞擊坑作為著陸地點(diǎn)。同時考慮到備份窗口的問題，選擇的著陸點(diǎn)附近要有相鄰的、條件合適的撞擊坑。如果頭一天的發(fā)射窗口沒能如期發(fā)射，要在第二天發(fā)射，那么就要選擇相鄰經(jīng)度13度左右的撞擊坑作為備選著陸區(qū)。”孫澤洲表示，綜合上述因素，最終確定馮·卡門和克雷地安撞擊坑分別作為主選擇和備份著陸區(qū)。
落月成功后，孫澤洲表示，整個過程完全按照預(yù)想進(jìn)行，著陸非常平穩(wěn)，并且著陸位置就是最初設(shè)定的理想著陸點(diǎn)。
技術(shù)創(chuàng)新多亮點(diǎn)
嫦娥四號突破了一批重大關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“七大創(chuàng)新”：實(shí)現(xiàn)世界首次月球背面軟著陸與巡視探測，突破月球背面復(fù)雜地形地貌識別、高精度自主著陸控制與自主避障等技術(shù)；突破高增益可展開天線、地月拉格朗日L2點(diǎn)中繼軌道設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)；突破強(qiáng)背景噪聲環(huán)境下空間低頻電場信號提取、空間低頻電磁波高靈敏度接收等技術(shù)；突破運(yùn)載火箭多窗口、窄寬度軌道設(shè)計(jì)，組合導(dǎo)航濾波優(yōu)化，氫氧動力系統(tǒng)加注后推遲24小時發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)；突破星載激光角反射器研制，國際首次開展超地月距離的反射式激光測距試驗(yàn)；突破寬溫變與高真空條件下的月表微型生態(tài)圈構(gòu)造技術(shù)；首次開展國際載荷搭載和聯(lián)合探測，完成月球中子及輻射劑量、中性原子分布等科學(xué)探測。
此外，嫦娥四號在技術(shù)上也進(jìn)行了創(chuàng)新。
在軌道設(shè)計(jì)上，嫦娥四號更為精細(xì)化。“與嫦娥三號相比，嫦娥四號著陸時可選擇的面積有限，因此必須提高著陸精度。直接手段就是精細(xì)化軌道設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同日期、不同窗口發(fā)射，都會定時定點(diǎn)著陸在預(yù)想著陸區(qū)。”孫澤洲說。
在著陸段的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制方面，孫澤洲介紹，因?yàn)殒隙鹚奶柕暮桔E中要經(jīng)過很多撞擊坑、環(huán)形山等，因此對動力下降過程的策略和各個分段的控制目標(biāo)都進(jìn)行了調(diào)整，提高了敏感器的性能。同時在測控通信方面做了技術(shù)調(diào)整，既要適應(yīng)對地球的測控通信，在著陸過程和工作中還要和中繼星通信，解調(diào)技術(shù)由原來的模擬解調(diào)變?yōu)閿?shù)字解調(diào)。
最關(guān)鍵的是自主能力的提升。在動力下降過程中，原有的控制系統(tǒng)故障預(yù)案變成自主實(shí)現(xiàn)；在月面工作期間，可以自主休眠、自主喚醒，喚醒后也可以自主進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。
科學(xué)研究開新篇
嫦娥四號軟著陸之后開展的科學(xué)探測，也將創(chuàng)造多個首次。
吳偉仁表示，嫦娥四號的成功落月，表明我們具備了全月球到達(dá)的能力，基本上可以到達(dá)月球任何一個地點(diǎn)。在科學(xué)任務(wù)方面，嫦娥四號將進(jìn)行月球背面低頻射電天文觀測與研究，開展月球背面巡視區(qū)形貌、礦物組分及月表淺層結(jié)構(gòu)探測與研究，試驗(yàn)性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環(huán)境探測研究。
吳偉仁解釋說：“著陸器、巡視器將會考察著陸地區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造，我們會得到第一張?jiān)虑虻叵碌钠拭鎴D，還會探測著陸地區(qū)的物質(zhì)成分、月壤組成等。與此同時，還將測出月球背面的準(zhǔn)確溫度。”
據(jù)介紹，月球分為克里普巖地體、斜長高地巖地體、艾特肯盆地地體，只有艾特肯盆地地體沒有被近距離巡視探測，具有很高的科研價(jià)值。而且月球背面的巖石更加古老，如果能夠獲取其物質(zhì)成分信息，將有助于科學(xué)家了解月球的化學(xué)成分演化過程。
此外，在月球背面開展的低頻射電天文觀測也備受關(guān)注。“月球背面可以屏蔽電磁干擾，能夠填補(bǔ)在地球和其他地方無法開展的100KHz—1MHz射電天文觀測空白，有可能觀察到40億年前宇宙早期爆炸的暗黑地區(qū)的無線電波，將在行星際激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性成果。”孫澤洲說。
深空探測不停步
從嫦娥一號拍攝的全月球影像圖，到嫦娥二號首次實(shí)現(xiàn)我國對小行星的飛越探測，再到嫦娥三號成功實(shí)現(xiàn)落月夢想、嫦娥四號實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸……探月工程自2004年啟動以來取得一個又一個突破，對我國月球及深空探測乃至航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。這是繼人造地球衛(wèi)星、載人航天飛行取得成功之后我國航天事業(yè)發(fā)展的又一座里程碑，標(biāo)志著我國已經(jīng)進(jìn)入世界具有深空探測能力的國家行列。
吳偉仁表示，黨的十九大明確了建設(shè)航天強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。我們要爭取在2020年躋身航天強(qiáng)國行列、2030年進(jìn)入世界航天強(qiáng)國前列。未來探月工程三期還將實(shí)施兩次采樣返回任務(wù)，分別命名為嫦娥五號和嫦娥六號任務(wù)，將首次采用無人月球軌道交會對接方式實(shí)現(xiàn)月面自主采樣返回。
據(jù)了解，我國未來還將進(jìn)行一系列深空探測工程重大任務(wù)，浩瀚宇宙，人類探索的腳步永不停歇。（馮 華）