志澄观察：关于嫦娥四号的任务与关键技术

远望智库高级研究员   黄志澄 

12月8日2时23分，我国在西昌卫星发射中心，用长征三号乙运载火箭成功发射了嫦娥四号探测器。随后，器箭成功分离，嫦娥四号成功进入近地点约200公里、远地点约42万公里的地月转移轨道。相比嫦娥三号发射，这次火箭设计入轨精度提高了30%以上。按照计划，嫦娥四号经过26天的飞行，将软着陆至月球背面南极的艾特肯盆地，从而完成人类探测器首次实现月球背面软着陆的壮举。

嫦娥四号的整个飞行任务大体上可分为三个阶段。第一阶段是从发射到12月12日进入月球轨道。这段的任务和嫦娥三号的飞行类似。第二阶段是嫦娥四号在月球轨道上进行试验和调整，特别是要和今年5月发射成功的中继星“鹊桥”进行试验。由于月球整体的阻挡，月球背面成为与地面通信和测控的禁区。“鹊桥”将承担两大任务：一是遥测与遥控嫦娥四号，二是负责地球和嫦娥四号之间的信号传输。由于这是嫦娥四号的全新技术和完成整个任务的关键所在，所以预留的时间较长。第三阶段是嫦娥四号预定在2019年1月3日降落到月球。相较于月球正面，月球背面的地形则更为复杂，陨石坑更多，地势起伏更大，因此嫦娥四号不能像嫦娥三号那样以弧形轨迹缓慢着陆，必须采取近乎垂直的降落方式。 

要完成这个“前无古人”的月球背面之旅，嫦娥四号主要有以下三个主要技术难点：

一是复杂地形环境下的安全着陆问题。嫦娥四号首选着陆区为月球南极冯⋅卡门撞击坑的艾特肯盆地。与嫦娥三号的虹湾着陆区相比，虹湾的整体趋势较为平坦，但艾特肯盆地的地形就比较崎岖，撞击坑大而且分布密集,这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了更高的要求。巡视器还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘的污染等问题。在整个任务过程中，设计团队为巡视器定义了感知、移动、探测、充电、安全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼等七种工作模式，以应对不同工作环境、适应不同工作状态的要求。

二是测控通信问题。深空测控通信系统是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键可贵等一系列原因，使得深空测控通信实现起来更为困难，无论对星上设备还是对地面设备等都带来新的挑战。嫦娥三号与地球的通信联络由地面站和海上远洋测量船来完成。而由于月球正面的遮挡，月球背面没有通信信号，无法与地球实施适时通信，因此，嫦娥四号与地面的通信联络要由“鹊桥”中继卫星担任，借助架设在地月拉格朗日L2点的中继卫星，实施与地面的通信信号“接力”。“鹊桥”中继卫星携带了一副展开后口径达近5米的伞状天线，在是人类上天的深空探测器上最大口径的通信天线，它直指地球，但是随之带来的是地球与嫦娥四号巡视器间的通讯时延，也大大增长。

三是巡视器的寿命问题。一个月夜相当于地球上14天。同时，月夜最低温度可达到零下180度。在没有光照的漫长黑夜里，对于依靠太阳能提供能量的嫦娥四号着陆器和巡视器来说，如何依靠自身存储的能量安全度过月夜将是一个很大的挑战。面对这一难题，研制人员提出了休眠唤醒的工作模。为了延长巡视器的寿命，嫦娥四号采用了目前国内最先进的高效三结砷化镓太阳电池。月球背面长期受到陨石的冲击，比正面月表环境更加严苛，巡视器行进过程中可能面对更多挑战。例如对于石块落入车轮内部、驱动机构频繁启停、以及巡视器移动能力有限等，都要有应对方案。

按照探月工程“绕、落、回”三步走的任务规划，我国已实施4 次月球探测任务，其中：嫦娥一号实现了月球环绕探测；嫦娥二号是二期工程的先导，为二期工程奠定了基础；嫦娥三号实现了月球软着陆和巡视探测；月地高速再入返回工程实现了第二宇宙速度半弹道跳跃式再入返回，为三期工程奠定了基础。

嫦娥四号原是嫦娥三号号的备份。经过论证和改进，让其完成勘探艾特肯盆地——冯·卡门陨石坑的重要使命，这既是一次前所未有的太空探秘旅程，也是太空探索技术的一次重大创新。这个直径达180公里的陨石坑，被认为是月球最古老的撞击特征。而此次勘探，会为我们了解月球、地球、太阳系的演化提供第一手数据和线索，是人类探月史上一次着陆月球最远端的极限挑战。

除了勘探任务，着陆器还会进行第一次月球暗面低频射电天文学实验；开展观察植物是否会在月球低重力环境中生长的调查；有望探测出国际上第一幅月背剖面图；探测月球两极是否存在水资源和其他相应资源等等，从而开启新一轮的月球大探测。 

嫦娥四号着陆器重约3.8吨，它具备高度自主导航与避障功能，能够自主寻找适合着陆点登月。并配备了4台科学仪器：着陆照相机(LCAM)、地形照相机(TCAM)、带有三个5米长吊杆的低频光谱仪(LFS)，以及由德国研制的月表中性原子测定仪(LND)，有助于探知月球土壤含水量和形成机制。嫦娥四号可实现太阳能电池板、月球车同位素热源两种能源供给。而嫦娥四号的科学任务主要是开展月球背面低频射电天文观测与研究。

嫦娥四号任务搭载了4台国际合作载荷，如中继星上搭载的荷兰内梅亨大学研制的低频射电谱仪、着陆器上搭载的德国基尔大学研制的月球中子及辐射剂量探测仪，以及巡视器上搭载的瑞典空间物理研究所研制的中性原子探测仪等。由此可见，嫦娥四号将成为我国在太空探索进行国际合作的范例。

另外值得关注的还有在嫦娥四号上，还搭载了由中国大学生建议而被采纳的微型月球生态圈实验，里面由土豆和南芥菜的种子、桑蚕、营养液、空气等构成一个闭环微型生态圈，再配上小型摄像机、数据传输设备。科学家将通过这个微型月球生态圈，了解在生物如何月球生存和发展。虽然这是一个类似于科普的试验，但仍有很大的科学价值。这个实验也将为中国在未来常驻月球、建立月球基地做点进行一定的探索。与此同时，这个来自大学生的设想，大大拉近了高远的太空探索和大众的距离，对于提高大众的科学素养具有十分深远的意义。