2019年1月3日10時26分,，我國“嫦娥四號”探測器自主著陸在月球背面--馮·卡門撞擊坑內(nèi),，在人類歷史上首次實現(xiàn)了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察,，首次實現(xiàn)了地球與月球背面的測控通信,，并首次進行超地月距離的激光測距技術(shù)試驗。
“嫦娥四號”探測器創(chuàng)造了在月背工作最長時間紀錄,，獲取了大量月球的科研探測數(shù)據(jù),，為人類了解月球提供了更為豐富的資料。它為國際“探月旅程”提供了中國方案,、中國智慧,，在全人類的探月史上留下了濃墨重彩的一筆。
一波三折的創(chuàng)新歷程
由于月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等,，又被地球潮汐鎖定,，地球強大的引力使月球總是一面朝向地球，一面背向地球,，月球的背面就成了人類一直魂牽夢縈的地方,。
2019年4月，以色列首個探月任務--創(chuàng)世紀號在成功繞月之后,，于動力下降階段不幸著陸失敗,，墜毀在月球表面,。同年9月,，印度首個月球著陸器--月船二號著陸器在動力下降至距離月表2.1公里后失去聯(lián)系，最終軟著陸失敗,，也墜毀在月球表面,。從環(huán)繞到著陸，這“再靠近一點點”的十幾或者幾十公里距離里,，無數(shù)探測器折戟于此,。
因為在地球方向不能直接看到“嫦娥四號”落月過程，整個過程必須依靠探測器自主操控,，而且回傳畫面會有延遲,，所以對地面人員來說,，落月過程幾乎就是一個“盲降”過程?！版隙鹚奶枴钡挠媱澲憛^(qū)雖然是位于相對平坦的馮·卡門撞擊坑內(nèi)部,，但馮·卡門撞擊坑整體是位于月球背面崎嶇的南極--艾特肯盆地內(nèi)部的，整個降落航跡下的地形起伏高達6公里,。這意味著“嫦娥四號”可選擇的著陸范圍更小,，而且它必須落得非常準--一旦偏了一點，就可能落不進平坦的預定著陸區(qū),，而是撞上崎嶇的高山低谷了,。
為進一步減少著陸位置的不確定性，研發(fā)人員設計“嫦娥四號”時考慮在環(huán)月階段增加修正軌道,，并在動力下降控制策略上進行了一定調(diào)整,。“在進行試驗的時候,，也考慮了很多因素,，比如說著陸器降落的地方最大能傾斜到多少度？如果是像張家界那樣的地形,，車在往下走的時候,，是順著兩個梯子，這兩個梯子一定是平行的嗎,？如果梯子之間形成異面角度,，角度最大又能是多少？”--團隊成員做了幾千種可能情況分析,，窮盡了各種極端情況,，對算出的可能情況又增加難度做了實驗。
能量供給更加可靠
嫦娥四號探測器由著陸器和巡視器組成,，共配置包括2臺國際合作載荷在內(nèi)的8臺有效載荷,，其中著陸器上安裝了地形地貌相機、降落相機,、低頻射電頻譜儀,、與德國合作的月表中子及輻射劑量探測儀等4臺載荷；巡視器上安裝了全景相機,、測月雷達,、紅外成像光譜儀和與瑞典合作的中性原子探測儀。
這些儀器在月球背面通過就位和巡視探測,，開展低頻射電天文觀測與研究,，巡視區(qū)形貌、礦物組分及月表淺層結(jié)構(gòu)研究,，并試驗性開展月球背面中子輻射劑量,、中性原子等月球環(huán)境研究,。此外，著陸器還搭載了月表生物科普試驗載荷,。
一個月夜相當于地球上14天,。同時，月夜最低溫度可達零下180攝氏度,。在沒有光照的漫長黑夜里,，對于依靠太陽能提供能量的嫦娥四號著陸器和巡視器來說，如何依靠自身存儲的能量安全度過月夜是一個很大的挑戰(zhàn),。
面對這一難題,，科研人員提出休眠喚醒概念。當太陽升起時,，著陸器和巡視器將開始忙碌的工作--著陸器在原地實施科學探測,，巡視器則開始“東奔西走”。當月夜降臨時,，巡視器會為自己找好棲身之所,，收起桅桿，合上太陽翼,，開始休眠,，直到太陽照射到月球車太陽翼的電池片上，喚醒“沉睡”的巡視器和著陸器,，開啟又一次勘測,。
“嫦娥四號采用了國內(nèi)最先進的高效三結(jié)砷化鎵太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率從原先的28.6%提升到30.84%,?！碧皆鹿こ烫栯姵仉娐坟撠熑岁惓钦f，新的電池在光電轉(zhuǎn)換效率,、輸出電壓,、輸出電流、抗輻照能力等技術(shù)指標上均優(yōu)于原電池,，其可靠性也經(jīng)過了多重考核驗證,。“而且,，新電池降低了太陽電池片的厚度,，為太陽電池‘減重’了10%,，功率裕度則由原先的6%增大到了9%,。”
“鵲橋”中繼星
“嫦娥四號”探測器之所以能夠?qū)崿F(xiàn)精準著陸,，還有最關鍵的一點就是中繼星--“鵲橋”的提前發(fā)射,，它為地面與“嫦娥四號”探測器之間搭建起了一座通信的橋梁,。
中國航天科技集團五院中繼星“鵲橋”主任設計師孫驥說：“鵲橋”雖然不是主角，卻是重要的組成部分,，其使命就是為月球背面的著陸器和巡視器提供通信服務,，這就相當于把一個地面站搬到了天上?！?/span>
“鵲橋”總設計師張立華說：”這個中繼星個頭不大,，整星重量只有400多公斤，但它要一端連著遠到8萬公里的探測器,，另一端連著40多萬公里外的地球,，這個距離很遠，所以通信天線的口徑必須要足夠大,?！钡捎诨鸺臻g限制，上星的天線要面臨很多難題,。
考慮到諸多因素,，研發(fā)團隊經(jīng)過多番設計試驗，最終選擇了傘狀天線的新方案,。這樣發(fā)射時天線可以收攏到最小,，入軌后再展開，但這樣的天線加工裝配過程卻非常復雜,。因為天線上有幾千個繩系控制點,，為確保展開后符合型面精度要求，必須一個點一個點地通過手工調(diào)整到位,?！皞闾炀€研制和衛(wèi)星測試的工作強度和壓力巨大，時間上又比較緊張,，團隊的科研人員經(jīng)常連續(xù)幾個月加班加點,，最緊張時連軸轉(zhuǎn)，沒有周末和節(jié)假日,?！睆埩⑷A說。
“鵲橋”最終于2018年5月21日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空,。除了為“嫦娥四號”任務提供中繼服務,，“鵲橋”還可開展科學與技術(shù)實驗。其上搭載了荷蘭與中國科學家聯(lián)合研制的低頻射電探測儀,，可“聆聽”來自宇宙深處的“聲音”,。此外，還搭載了中山大學研制的激光角反射鏡，開展遠距離激光測距試驗,，為未來的應用奠定技術(shù)基礎,。中國科學院院士、空間科學首席科學家葉培建也表示,，如果外國航天器想去月球背面探測,，也可以通過這顆中繼星獲得幫助，這是中國對世界的貢獻,。
