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(hào)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(hào)原來是嫦娥三號(hào)的備份星，三號(hào)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(hào)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(gè)，但都是對(duì)月球正面的探測，至今沒有任何一個(gè)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(hào)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(hào)任務(wù)的由來。
中國航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號(hào)探測器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲說，嫦娥四號(hào)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(duì)地、對(duì)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(duì)著地球，這一面被稱為月球背面。正因?yàn)楸硨?duì)地球，要在月球背面實(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(hào)任務(wù)的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個(gè)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(hào)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(shí)間、測控時(shí)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(gè)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(hào)著陸時(shí)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(hào)只能在有限的相對(duì)大的撞擊坑里尋找相對(duì)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(hào)當(dāng)時(shí)是斜著降落的，嫦娥四號(hào)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(hào)要近乎垂直降落，著陸時(shí)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(hào)的落月可以說是“正中靶心”，嫦娥四號(hào)全自主動(dòng)力下降，通過慣性導(dǎo)航及與月面相對(duì)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(hào)相似，嫦娥四號(hào)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(dòng)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(shí)約690秒。不同之處在于，嫦娥四號(hào)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(duì)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(hào)探測器會(huì)通過接力避障的方式。下降至2公里左右，探測器會(huì)做一次光學(xué)的初避障，主要識(shí)別大障礙。下降至100米左右，探測器會(huì)做一個(gè)懸停，利用激光敏感器實(shí)現(xiàn)精避障，識(shí)別0.2米障礙、坡度等，通過地形的最優(yōu)識(shí)別方法找到安全區(qū)域降落。嫦娥四號(hào)的自主能力有很大提升，“如果找不到安全區(qū)域，嫦娥四號(hào)會(huì)選擇相對(duì)次優(yōu)的區(qū)域，還可以做水平機(jī)動(dòng)調(diào)整。”
著陸地點(diǎn)費(fèi)思量
嫦娥四號(hào)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(duì)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(duì)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(hào)按照中高緯度降落來進(jìn)行設(shè)計(jì)，嫦娥四號(hào)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(duì)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(shí)還要選擇相對(duì)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(shí)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(gè)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(hào)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(shí)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(hào)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(dòng)力系統(tǒng)加注后推遲24小時(shí)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(hào)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(hào)更為精細(xì)化。“與嫦娥三號(hào)相比，嫦娥四號(hào)著陸時(shí)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(huì)定時(shí)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?hào)的航跡中要經(jīng)過很多撞擊坑、環(huán)形山等，因此對(duì)動(dòng)力下降過程的策略和各個(gè)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(shí)在測控通信方面做了技術(shù)調(diào)整，既要適應(yīng)對(duì)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(dòng)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(hào)軟著陸之后開展的科學(xué)探測，也將創(chuàng)造多個(gè)首次。
吳偉仁表示，嫦娥四號(hào)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(gè)地點(diǎn)。在科學(xué)任務(wù)方面，嫦娥四號(hào)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(huì)考察著陸地區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造，我們會(huì)得到第一張?jiān)虑虻叵碌钠拭鎴D，還會(huì)探測著陸地區(qū)的物質(zhì)成分、月壤組成等。與此同時(shí)，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(hào)拍攝的全月球影像圖，到嫦娥二號(hào)首次實(shí)現(xiàn)我國對(duì)小行星的飛越探測，再到嫦娥三號(hào)成功實(shí)現(xiàn)落月夢(mèng)想、嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸……探月工程自2004年啟動(dòng)以來取得一個(gè)又一個(gè)突破，對(duì)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(hào)和嫦娥六號(hào)任務(wù)，將首次采用無人月球軌道交會(huì)對(duì)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）