嫦娥四號實現人類月背軟著陸 傳回首張月球背面照片

騰訊科技 文/喬輝

據央視報導，2019年1月3日上午10點26分，中國嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面東經177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區（軟著陸），並通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，揭開了古老月背的神秘面紗，成為人類首次在月球背面軟著陸的探測器，首次實現月球背面與地面站通過中繼衛星通信。嫦娥四號將對月球背面環境進行研究，對月球背面的表面、淺深層進行研究，進行低頻射電天文觀測等。

一、嫦娥四號如何降落在月球背面？

2018年12月8日發射後，嫦娥四號很快達到了第二宇宙速度，直奔月球而去。在經過6天的飛行之後，12月12日就來到了月球附近，並且實施了近月點“太空刹車“，並成功被月球的引力捕獲，進入距月面平均高度約100公里的環月軌道。

2018年12月30日，在地面工作人員的遙控下，嫦娥四號又實施“太空刹車”，由距月面平均高度約100公里的環月軌道，成功進入近月點高度約15公里、遠月點高度約100公里的橢圓環月軌道，為擇機著陸做準備。

2019年1月3日，在高度15公里的軌道上，嫦娥四號上的發動機反推刹車，減小軌道速度，進入動力下降階段。由於月球上沒有空氣，只能採用火箭發動機反推的方式徐徐下降。如上圖所示，動力學下降階段可分為以下步驟：

相對於嫦娥三號，嫦娥四號著陸區地形複雜，難度更大。

在降落到目標區域後，著陸器和巡視器組合體要完成一系列步驟：著陸器太陽能帆板打開，著陸器轉移機構解鎖展開，巡視器太陽帆板、桅杆展開，巡視器移動到著陸器轉移機構上，著陸器轉移機構解鎖、下降，巡視器從著陸器轉移到月面，完成兩器互拍後分別展開探測工作。

二、嫦娥四號降落在月球背面什麽位置？

嫦娥四號的著陸點位於月球背面南極的馮·卡門環形山（Von Kármán crater），馮·卡門環形山是一座巨大的古撞擊坑，直徑大約180公里，形成於約45.5億-39.2億年前，以著名的匈牙利裔美籍工程師西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán）的名字命名。值得一提的是，馮·卡門是錢學森的導師。在剛剛形成的時候，馮·卡門環形山內曾經流淌著岩漿，導致南部區域非常平坦。環形山中心區域有一個小山峰，該山峰與北部崎嶇的地形相連。

馮·卡門環形山位於更大的標記肯盆地（Aitken basin）中，它以美國宇航員羅伯特·格蘭特·標記肯的名字命名。該盆地直徑大約2500公里，深13公里，從坑底最深處到最高處落差大約16公里，這是太陽系內已知的最大、最古老的撞擊坑。其90%的面積都分布在月球背面，只有一小部分在月球正面。該盆地保存了原始月殼的岩石，收集這個區域岩石的數據可以幫助科學家們更好地理解月球的組成，具有極高的科學研究價值。

為了保證嫦娥四號平穩降落，著陸地點必須要足夠平坦。此外，還要有適合的光照，馮·卡門環形山所在的緯度既能夠保證有充足的光照，又不至於被熾熱的陽光直射。由於是在月球背面著陸，在著陸器動力下降的過程中是無法與地球直接通訊的，要依靠“鵲橋”中繼衛星進行信號轉接工作。

月球背面與月球正面的地形有很大不同。在月球的正面，分布有大量的月海，佔正面總面積的31%。月海並不是月球上的海洋，而是指月面上比較低窪的平原，就是用肉眼能夠看到的那些黑暗色的斑塊。阿波羅11號宇航員就在名叫“靜海”的地方登陸。在月球背面則布滿了大大小小的環形山，月海面積僅佔1%。1968年，阿波羅8號宇航員William Anders在飛過月球背面時這樣形容他看到的景象：月球的背面看起來就像是我家孩子們玩了一段時間的沙堆，到處坑坑窪窪，亂糟糟一片。

三、月球為什麽有個背面？

要想解釋清楚月球為什麽有個背面，就要從潮汐力講起。當我們在海邊的時候，就能直觀看到潮漲潮落現象，這是由於太陽和月球對地球的潮汐力。當潮水進入喇叭口的地形中，水位上漲更加明顯，例如我國錢塘江大潮。

由於月球比太陽近得多，對地球的潮汐力大約是太陽的兩倍，因此我們著重考慮月球對地球的潮汐力。地球和月球其實可以看做一個雙星系統，月球的非均勻引力場加上地球繞系統質心的轉動，使得地球靠近月球的一側和遠離月球的一側都會隆起一個“鼓包”，這兩個“鼓包”都會對地球自轉有刹車作用，這也是為什麽地球會越轉越慢的原因，過幾年就會增加一個閏秒。同理，地球的潮汐力以同樣的方式作用到月球，使月球的自轉逐漸變慢，最終使得自轉周期等於公轉周期，不再繼續變慢，這種現象在天文學上叫“潮汐鎖定”。

冥王星和卡戎的自轉都已經潮汐鎖定，它們兩個只能每天面面相覷，彼此看不到對方的後背。潮汐鎖定後的月球，就只有一面朝向地球了，就好像一個人圍繞你一圈圈看一樣，你只能看到他的正面，無法看到後背。

當然，由於月球存在一種”天平動“的現象，在地球上能夠看到月球的面積可達59%。主要是由於月球的軌道其實是一個橢圓以及自轉軸與白道面有一個傾角造成的。

四、前蘇聯和美國對月球背面的觀測

早在1959年，前蘇聯的“月球三號”探測器就首次拍攝到了月球背面，並把影像成功傳回地球，並製作了世界第一個月球儀。1965年，前蘇聯“探測器三號”在飛掠月球時，又傳回了25張更清晰的月球背面的照片，從照片中可以看到有一條長數百公里的鏈狀排列的環形山。根據這些珍貴的照片，新的月球儀包含了月球95%的表面。

我們都知道阿波羅11號飛船完成人類首次載人登月的壯舉，阿姆斯特朗的“個人一小步，人類一大步”的名言仿佛在腦海回蕩。在此之前，1968年12月阿波羅8號首次進入月球軌道，完成環月飛行後返回地球，三位宇航員成為第一次用肉眼看到月球背面的人類。從那時起，飛往月球的宇航員都曾在月球軌道上空親眼看到過月球背面。

1962年，美國宇航局的“徘徊者”月球探測器由於電腦出現故障無法工作，最終撞擊在月球背麵粉身碎骨，成了首顆在月球背面硬著陸的探測器，當然是沒有發回任何有用的資料。

1966年到1967年，美國宇航局通過“月球軌道飛行器”項目的系列探測器獲取了大量有關月球背面的資訊。

五、嫦娥四號探月七大亮點簡述

1、實現人類首次月球背面軟著陸與巡視勘察。

回顧整個人類探月史，無論美國還是前蘇聯，除了美國失靈的一枚探測器墜毀在月球背面外，人類的月表探測都發生在月球正面。

2、實現月球背面探測器與地面站間的中繼衛星通信

嫦娥四號探測器能夠在月球背面著陸，關鍵就在於科學家提前把一顆叫“鵲橋”的中繼衛星放在了地球和月球連線外側的“拉格朗日點”上（L2）。有了這顆衛星做通訊保障，探測器才敢在月球背面著陸，這也是人類首次。

3、國際首次實現在月球背面的甚低頻射電天文觀測

在太空中，無法阻擋地球無線電的干擾，而月球的背面則是觀測的絕佳場所。月球背面是公認的低頻射電天文的絕佳場所。嫦娥四號或許能為我們打開一扇觀測宇宙的新視窗。

4、入軌精度達到國際先進水準

嫦娥四號工程分為中繼衛星和探測器兩部分，中繼衛星“鵲橋”是由長征四號丙運載火箭送到地-月L2點，探測器則由長征三號乙運載火箭送入軌道。同嫦娥三號相比，需要運載火箭將探測器送入更高的地月轉移軌道，而其軌道精度要求基本不變。受發射時間等因素的影響，發射視窗數量減少，嫦娥四號工程對運載火箭提出了更高精度和可靠性要求。

5、國內首次實現同位素核電池的太空應用

嫦娥四號首次採用了同位素核電池（鈈-238）供電方式，但還只是輔助作用，主要還是靠太陽能板供電。據科學家介紹，這次使用的核電源功率還比較小，僅2瓦，與電腦上的USB口供電能力差不多，僅在月夜采集溫度的時候採用。

6、國際上首次開展超地月距離的反射式雷射測距試驗

在阿波羅登月期間，宇航員在月面上放置了多個雷射角反射器，為人類研究月球的運動情況起了極大作用。地球和月球的距離是38萬公里，而中繼星與地球的距離是45萬公里，還沒有任何國家在這個距離上安裝雷射角反射器，而我們的做到了。

7、國際首次開展月球背面中子及異塵餘生劑量、中性原子分布和地-月L2點低頻射電天文觀測研究。

嫦娥四號任務包含中繼星和探測器兩次發射任務，在中繼星和探測器上共有三個國際載荷，分別是著陸器搭載的月球中子及異塵餘生劑量探測儀、巡視器搭載的月球中性原子探測儀以及中繼星搭載的中荷低頻射電譜儀，他們將分別首次開展月球背面中子及異塵餘生劑量、中性原子分布和地月L2點低頻射電天文觀測等科學研究。

六、中國探月簡史

中國嫦娥探月工程無人月球探測，分為“繞、落、回”三個階段。

1、“繞”就是發射月球衛星，“嫦娥一號”和“嫦娥二號”已經實現；

2、“落”就是在月球表面軟著陸，“嫦娥三號”已實現在月球的正面軟著陸，本次嫦娥四號實現了在月球背面軟著陸，在月球背面開展科學探測工作，這在全球尚屬首次。雖然是嫦娥三號的備份星，但卻取得了多方面的創新；

3、“回”就是從月球表面采樣返回地球，這樣等待後續”嫦娥五號“和”嫦娥六號“去實現。