嫦娥四號任務圓滿成功，首次實現人類航天器在月背軟著陸

龐之浩 王 東

嫦娥四號著陸器地形地貌相機環拍全景圖(局部)

2018年12月8日02：23，我國用長征三號乙運載火箭成功發射了嫦娥四號落月探測器，直接將嫦娥四號送入近地點200km、遠地點約4.2×105km的地月轉移軌道。它飛行了26天后，于2019年1月3日10：26成功著陸于月球背面177.6°（E）、45.5°（S）附近的預選著陸區——月球南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin）內的馮·卡門撞擊坑（Von Karman Crater），并通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，成為世界第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，并實現世界首次月背與地球的中繼通信。1月11日8：00，著陸器上的地形地貌相機完成了環拍。1月11日16：47，嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器工作正常，在“鵲橋”中繼星支持下順利完成互拍，嫦娥四號任務圓滿成功，進入科學探測階段。至此，我國探月工程取得“五戰五捷，連戰連捷”。

嫦娥四號著陸器拍攝的著陸點南側月球背面圖像，巡視器將朝此方向駛向月球表面

1 在月球背面著陸的意義

由于月球背面比正面保留著更多的原始狀態，因此探測月球背面對研究月球甚至地球的早期歷史具有重要價值。另外，因為月球的自轉與公轉周期一樣，在地球上永遠看不到月球背面，所以在月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號，監測到在地面和地球附近的太空無法分辨的宇宙中的低頻射電信號。

不過，正是由于在地球上永遠看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信。為此，我國于2018年6月14日先把“鵲橋”中繼星送入地月拉格朗日2點（簡稱地月L2點）的暈軌道，可為在月球背面著陸的嫦娥四號與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測控通信信號和科學數據。

除了具有中繼地月信號的功能以外，在“鵲橋”中繼星上還裝載了荷蘭的低頻射電探測儀（NCLE）。它能與位于荷蘭境內的低頻天文陣列等地面天文觀測設施聯合，首次開展4.3×105～4.6×105km基線的地月空間甚長基線干涉測量實驗。它還能與嫦娥四號著陸器上中方研制的低頻射電頻譜儀之間形成干涉測量，有望對來自宇宙黑暗時代和黎明時期的輻射進行探測，研究在宇宙大爆炸后如何擺脫黑暗，點亮了第一顆恒星。

另外，“鵲橋”上攜帶了一個大孔徑激光角反射鏡。它能配合地面激光發射望遠鏡和激光接收望遠鏡，進行精度優于15mm的單程測距。這是人類歷史上最遠距離的純反射式激光測距試驗，達4.6×105km，可使人類激光測距的紀錄再增加約8×104km。

2 月背著陸點的科學價值

嫦娥四號的著陸區選在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內，這是因為該撞擊坑具有較高的科學探測價值，且地勢較為平坦，可以同時滿足科學和工程上的要求。對該撞擊坑的著陸和探測，能夠揭示月球形成和演化的一些關鍵問題，在月球科學研究中具有劃時代的意義。嫦娥四號將分析該地區的地表特征和地下構造，為了解月球、地球、太陽系演化提供第一手線索。

月球背面的南極-艾特肯盆地是太陽系內已知最大、最深的盆地，也是個古老的區域，保存了原始月殼的巖石，90%以上分布在月球背面。其直徑2500km，最深處約為13km，從坑底最深處到最高壁頂處落差大約16km，含有許多月球初始的信息，保存著太陽系形成之初的寶貴信息。對其進行勘測有助于解答與月球有關的一系列重要疑問，有助于研究月球45億年的漫長歷史，有助于更好地理解組成月球的巖層，包括內部結構、成分和熱演化，為了解月球、地球、太陽系演化提供第一手線索，有可能揭開“39億年撞擊峰值”的科學之謎。

月球背面著陸地點，大紅圈為南極-艾特肯盆地，小紅圈為馮·卡門撞擊坑

人類從未勘探過的馮·卡門撞擊坑位于南極-艾特肯盆地中部，直徑約186km，中心坐標為44.8°（S），175.9°（E），具有月球最古老的撞擊特征，地勢比較平坦，盆地內的月殼厚度較薄，主要巖石類型為低鈦玄武巖。這個隕坑遍布次級撞擊坑，噴射物覆蓋隕坑內的絕大多數月海玄武巖。對其進行科學探測與研究，有望獲得月球最古老月殼的物質組成、斜長巖高地的月壤厚度等重要成果，獲得對月球早期演化歷史的新認知。

另外，南極-艾特肯盆地的緯度和嫦娥三號在月球正面落月的緯度基本相同，因此在這里著陸，既能確保探測器獲得足夠的能源，又能避免月晝帶來的高溫影響。

馮·卡門撞擊坑的特點：地勢比較平坦，適合探測器著落，即所謂的坑大峰小；年齡古老，距今40億年以上，后期可挖掘出月球雨海紀玄武巖樣本；坑在形成之前已經存在一個更大的撞擊坑，其表層或者淺表月壤中很可能有早期撞擊暴露出的深層月幔物質，坑底有復雜的巖漿活動，多個證據顯示雨海紀時馮·卡門坑存在重復撞擊、月殼多次熔融，形成了今天我們看到的玄武巖層。綜合多個因素，登陸馮·卡門坑的科學意義重大，未來獲得的發現成果也值得期待。

3 飛行過程幾個階段

嫦娥四號整個飛行過程包括發射入軌段、地月轉移段、近月制動段、環月飛行段、環月降軌段、動力下降段，最終著陸到月球背面。期間，著陸器和巡視器組合體通過“鵲橋”中繼星與地面建立上下行通信鏈路。著陸成功后，著陸器擇機完成巡視器釋放分離和兩器互拍。接著，著陸器、巡視器分別開展科學探測，并通過“鵲橋”將數據傳回地球。

嫦娥四號落月探測器升空后，由于準時發射、準確入軌，原計劃在近月制動前實施的3次軌道中途修正，只于2018年12月9日進行了1次，達到了預期目標。

經過約110h奔月飛行，2018年12月12日16：45，嫦娥四號成功實施了近月制動，順利完成“太空剎車”，被月球捕獲，進入了環月軌道。此前的12月12日16：39，嫦娥四號在距月面129km處成功實施了7500N發動機點火，約5min后發動機正常關機，嫦娥四號順利進入近月點100km的環月軌道，近月制動獲得圓滿成功。

在環月軌道運行期間，調整了嫦娥四號落月探測器的環月軌道高度和傾角，開展了與“鵲橋”中繼星的中繼鏈路在軌測試和導航敏感器在軌測試。之所以遲遲不著陸，是為了等待時機，使嫦娥四號最終能在白天實施月球背面軟著陸，從而充分獲取太陽能,以便開展工作。另一方面，由于降落地點處于南極附近，它需要逐漸調整軌道傾角才能經過這里，比較耗時。同時，也要等待太陽光照在月球的角度達到理想的狀態，這樣所有的地貌都會有比較清晰的陰影，最大程度輔助光學設備選擇并定位著陸地點。

2018年12月30日08:55，嫦娥四號又實施“太空剎車”，在距月面平均高度約100km的環月軌道成功變軌，降軌進入近月點高度約15km、遠月點高度約100km的橢圓形環月軌道，這是預定的在月球背面著陸的準備軌道，為擇機動力下降著陸做準備。

嫦娥四號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。

嫦娥四號著陸器平視圖

嫦娥四號探測器在月背軟著陸后降落相機拍攝的圖像

玉兔二號月球車的車輪

2019年1月3日10：15，嫦娥四號從距離月面15km處開始實施動力下降，7500N變推力發動機開機，逐步將探測器的速度從相對月球1.7km/s降到零。在距月面約6～8km處，探測器進行快速姿態調整，不斷接近月球；在距月面100m處開始懸停，對障礙物和坡度進行識別，并自主避障；選定相對平坦的區域后，開始緩速垂直下降。約690s后，嫦娥四號自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內。落月過程中，降落相機拍攝了多張著陸區域影像圖。

落月后，在地面控制下，通過“鵲橋”中繼星的中繼通信鏈路，嫦娥四號探測器進行了太陽翼和定向天線展開等多項工作，建立了定向天線高碼速率鏈路。11：40，著陸器上的監視C相機獲取了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖并傳回地面。

接著，按計劃開展了著陸器與巡視器分離各項準備工作，對“鵲橋”中繼星狀態、著陸點環境參數、設備狀態、太陽入射角度等兩器分離的實施條件，進行了最終檢查確認。

1月3日晚間，嫦娥四號著陸器與巡視器成功分離，22：22，巡視器踏上月面，玉兔二號在月背留下了第一道印跡。

1月11日8：00，著陸器上的地形地貌相機完成了環拍。

1月11日16：47，嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器順利完成互拍。

兩器分離后，月兔二號在月背留下了人類航天器第一行“腳印”

玉兔二號巡視器全景相機對嫦娥四號著陸器成像

嫦娥四號著陸器地形地貌相機對玉兔二號巡視器成像

4 目標新穎，含金量高

嫦娥四號任務的工程目標主要有兩個：①研制、發射月球中繼通信衛星，實現國際首次地月L2點的測控及中繼通信；②研制、發射月球著陸器和巡視器，實現國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。

其科學目標主要有三個：①開展月球背面低頻射電天文觀測與研究；②開展月球背面巡視區形貌、礦物組份及月表淺層結構探測與研究；③試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。

在人類歷史上首次利用月球背面潔凈的電磁環境進行月基低頻射電天文觀測是嫦娥四號探測任務的最大亮點。由于受到地球電離層的干擾，在地球上難以開展頻率低于10MHz的射電天文觀測，在地球軌道甚至月球正面開展的空間射電天文觀測也受到地球電離層反射和人工無線電的干擾。

月球背面被認為是開展低頻射電天文觀測的絕佳地點，它屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發射，月夜期間還屏蔽強烈的太陽射電輻射。利用月球背面獨特的無線電環境，能開展的觀測與研究包括太陽低頻射電和月表射電環境探測。

因此，分別在嫦娥四號著陸器和“鵲橋”中繼星上新增配置了國內新研制的低頻射電頻譜儀及荷蘭的低頻射電探測儀，用于開展頻率范圍在10MHz附近的低頻射電天文觀測，填補人類在0.1～40MHz射電天文觀測的空白，有望在太陽風激波、日冕物質拋射和高能電子束的產生機理等方面取得原創性的成果。

5 探測兩器上的載荷

作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍由著陸器和巡視器（即玉兔二號月球車）組成，但是因為嫦娥四號與嫦娥三號的科學目標不同，因此兩者所裝載的科學載荷有明顯變化，更換了部分科學載荷，其中最主要的特點是裝載了國際科學載荷。

在嫦娥四號著陸器上加裝了德國的月表中子與輻射劑量探測儀（LND）。它能測量能量中性粒子輻射和著陸器附近月壤中的相關物質含量，即測量月表包括帶電粒子、γ射線和中子的綜合粒子輻射劑量，以及月表快中子能譜和熱中子通量，探測著陸區的輻射劑量，分析月球遠側的輻射環境，為未來的載人登月航天員的危險度進行前期評估，提供相應輻射防護的依據。

在玉兔二號月球車上加裝了瑞典的中性原子探測儀（ASAN），能探測巡視探測點0.01～10keV能量范圍內的能量中性原子及正離子，這將是國際首次在月表開展能量中性原子探測。它對于研究太陽風與月表相互作用機制、月表逃逸層的形成和維持機制等關鍵科學問題有著重要的意義。這是人類探月史上首次在月表開展這項探測活動。

嫦娥四號著陸器質量為3.78t，設計壽命6個月。其上的有效載荷與嫦娥三號著陸器上的類似，仍裝有降落相機、地形地貌相機，但增加了國內新研發的低頻射電頻譜儀，以及德國的月表中子與輻射劑量探測儀，去掉了嫦娥三號的月基光學望遠鏡、極紫外相機。裝有3根5m長的低頻射電頻譜儀天線，是嫦娥四號著陸器與嫦娥三號著陸器外形上最顯著的區別。

低頻射電頻譜儀將利用月球背面沒有地球電磁波干擾，天然潔凈的環境，探測0.1～40MHz范圍內的低頻射電特征和月表射電環境。另外，還會與“鵲橋”中繼星上攜帶的荷蘭低頻射電探測儀（用于探測來自太陽系內天體和銀河系的0.1～80MHz低頻射電輻射，為未來太陽系外的行星射電探測提供重要的參考依據）協同觀測，互為驗證和補充。它們用于研究太陽爆發、著陸區上空的月球空間環境，還可以對來自太陽系行星的低頻射電場進行觀測，并“聆聽”來自宇宙更深處的“聲音”。

降落相機用于著陸器在2km～4m高降落過程中動態拍攝著陸區域的光學圖像，從而分析著陸區月表地形地貌和地質情況。它僅在著陸過程中使用。

地形地貌相機用于獲取著陸區月表的光學成像，繪制著陸區地形、地貌圖，并時刻關注著月球車的運行狀況。

與嫦娥三號著陸器相比，嫦娥四號著陸器增加了3根5m長的低頻射電頻譜儀天線

玉兔二號月球車高1.5m，質量135kg，設計壽命3個月，可以爬20°坡，跨越200mm的障礙。其上仍裝有全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀，但增加了瑞典的中性原子探測儀，去掉了嫦娥三號的粒子激發X射線譜儀。因此，玉兔二號月球車也就不需要機器臂了，從而比玉兔號月球車輕了2kg，是世界探月史上質量最小的月球車。

全景相機可拍彩色立體圖像，獲取巡視區的月表圖像。相機裝在桅桿上，可360°旋轉和90°俯仰拍攝周邊圖像，隨時了解前方有沒有障礙等，做出所需的“決策”。其成像方式為彩色成像與全色成像切換。

測月雷達裝在月球車底部，在巡視過程中直接探測月表下的月壤厚度和月殼淺層結構。該測月雷達設置了兩個不同頻段，借助其探測出的數據，研究人員可以繪制出第一幅月球背面剖面圖。其探測深度為月球地下50m左右，而實際深度有望到達200多米，有助于月球背面的地質研究。

紅外成像光譜儀能探測從可見近紅外到短波紅外的高分辨率反射光譜及圖像，用于獲取巡視探測點的月表光譜數據和幾何圖像數據，調查巡視區月表礦物組成和分布分析，開展巡視區能源和礦產資源的綜合研究。

6 改進多處，性能大增

嫦娥四號的著陸方式與工作狀態跟嫦娥三號也有很大區別，性能上有很大提升，這是因為嫦娥三號著陸區地形起伏僅800m，相當于在華北平原著陸，而嫦娥四號著陸區地形起伏達到6km，相當于在崇山峻嶺的云貴川地區著陸。

月球正面有較為寬闊的平原，雖然也有許多隕石坑，但即使是坑底也相對平整，所以嫦娥三號是以弧形軌跡緩慢著陸。

月球背面地形相比正面更加復雜，著陸區相當于嫦娥三號著陸區的1/8，隕石坑更多，大坑套小坑，地勢更陡峭，山峰林立，很難找出再大一些、平坦一些的地方供嫦娥四號安身。由于嫦娥四號要在凸凹不平的地方軟著陸，所以需要具有比嫦娥三號更準確的著陸精度。嫦娥四號落區有海拔10km高的山，著陸點在凹地海拔—6km處。為了不撞到峭壁，嫦娥四號需具備很高的自主導航和避障功能，以便自主尋找地勢相對平坦的地區進行著陸，并只能采取近乎垂直的著陸方式，而且著陸時間短，航程短，風險高。

著陸區變化對任務的影響主要有：動力下降航跡的高程差變大，制導、導航與控制（GNC）需優化動力下降策略；著陸區范圍縮小，探測器應具備高精度著陸控制策略；可能存在地形對通信和光照的遮擋，探測器需具備更強的自主功能。另外，嫦娥四號與地面交流需要通過“鵲橋”中繼星中轉，其間會產生約60s的延時，這對于瞬息萬變的降落過程顯然太久，因此落月全程需要由它自主完成。結果，嫦娥四號成功著陸在預定地點。

嫦娥三號在長月夜—180℃的環境中是不能工作的，而嫦娥四號將采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，以保證其度過寒冷漫長的月夜及正常開展探測工作，在國內首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。

嫦娥四號的玉兔二號月球車雖與嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車外形和質量一樣，但由于要首次在月球背面軟著陸和巡視，因此針對月球背面復雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學目標的實際需要等因素，對玉兔二號月球車進行了適應性更改和有效載荷配置調整，在運動安全、能源供給、科學探測和測控通信等方面均做了特殊的設計。尤其在線路方面進行了設計改進和試驗驗證，使它更強大，既不怕極熱極冷的“廣寒宮”，又能完成更多新任務。

此外，玉兔二號月球車還吸收了嫦娥三號玉兔號的經驗。針對玉兔號在執行任務過程中遇到的一些問題，有針對性地進行了電纜設計與材料應用等技術的改進和試驗。玉兔二號月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗，同時也盡量減少電纜裸露在外的面積，減少電纜的故障風險。

因此，玉兔二號更輕盈、更自主、更健壯、更可靠。

總之，要實現嫦娥四號任務的工程目標，需突破四項關鍵技術：一是復雜地形環境條件下的安全著陸，二是地月L2點暈軌道設計與控制，三是地月L2點遠距離中繼通信，四是同位素溫差發電與熱電綜合利用。

嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車工作示意圖

7 有趣的微型生態圈

嫦娥四號著陸器上還有一個科普載荷——月面微型生態圈，首次嘗試研究動植物在月球低重力環境下的生長狀況，用于天體生物學實驗和大眾科普。它由重慶大學牽頭研制。

月面微型生態圈是一個由特殊鋁合金材料制成的圓柱形罐子，高18cm，直徑16cm，凈容積約0.8L，總質量約3kg。載荷內搭載了棉花、油菜、馬鈴薯、擬南芥、酵母和果蠅等6種生物，還有土壤、水、營養液、空氣以及微型相機和信息傳輸系統等科研設備，構成了簡單生態系統，可驗證在月面太陽自然光照條件下植物的光合作用原理，觀測月面低重力條件下動植物的生長狀況，積累構建太空生命保障系統的技術與經驗，并向公眾普及生物學知識。

它采用圈柱式結構，通過頂部10mm直徑的光導管將太陽光引入罐子里，提供植物生長所需能源，幫助種子生長；采用聚酯薄膜保溫層和半導體冷熱片，實現載荷內部溫度控制；采用著陸器供電與鋰硫特種電池，協同實現晝夜連續供電。通過內置攝像頭對生物生長過程進行圖像拍攝并傳回地面。截至發稿時，根據載荷傳回的照片顯示，棉花已成功發芽。

8 有望實現三大壯舉

嫦娥四號任務的“兩器一星”上共配置了6臺國內研制科學載荷和3臺國際科學載荷。它們開展以低頻射電天文觀測、巡視區形貌、礦物組份及淺層結構為主的科學探測。

嫦娥四號在月球背面的著陸點附近開展低頻射電天文觀測和月表形貌、礦物組成、化學成分、淺層結構、中子及輻射劑量和能量中性原子探測，有望填補0.1～40MHz頻段射電天文觀測的空白，取得對月球早期演化歷史的新認識。繼續更深層次、更加全面地科學探測月球地質、資源等方面的信息，完善月球的檔案資料，有望取得行星際激波、日冕物質拋射和空間傳播機理等方面原創性成果。

嫦娥四號任務特點鮮明，預期成果顯著，將是一次低成本、短周期、大開放、高效益的示范性空間探測任務，有望實現三大“壯舉”：首次實現人類探測器造訪月球背面；首次實現人類航天器在地月L2點對地月中繼通信；為科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，獲得一批重大的原創性科學研究成果。

嫦娥四號任務完成后，我國將在2019年發射嫦娥五號采樣返回器，它由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2kg月球樣品。