月球背面迎來首位地球訪客——嫦娥四號落月記

玉兔的第一行腳印：嫦娥四號著陸器監視相機C拍攝的“玉兔二號”巡視器走上月面影像圖。國家航天局供圖

沉寂了幾十億年的月球背面，終於迎來第一位地球訪客——嫦娥四號。1月3日，嫦娥四號在飛越38萬公里，跋涉近1個月後，成功踏足月球背面。

月球是距離人類家園最近的天體，從嫦娥奔月的神話到萬戶飛天的嘗試，中國人對月球的神往從未停歇。但在過去60年的人類月球探測史上，月球背面始終是一塊未被抵達的處女地。（詳見中國青年報2018年12月10日 1 版《“嫦娥”再奔月 緣何向“背面”》）

如今，隨著嫦娥四號翩翩落月，人類探測器第一次在月球背面軟著陸。有人說，此次任務意義堪比嫦娥三號將“嫦娥棲廣寒”傳說變為現實，“落月”是向國際領先者追趕，而這一次，則是“嫦娥一小步，人類一大步”，改寫了全人類的歷史。

嫦娥落月地點有何深意？

月球背面東經177.6度、南緯45.5度。中國探月工程的落月壯舉，讓這組略顯拗口的地理坐標第一次走進公眾視線。

就是在此附近的預選著陸區，即南極-標記肯盆地內的馮·卡門撞擊坑，來自中國的嫦娥四號探測器成功著陸，實現了人類探測器首次月背軟著陸。

對嫦娥四號來說，找到一個合適的著陸點安家，是初入月背的頭等大事。月球背面那麽大，嫦娥四號為何獨獨選擇在南極-標記肯盆地“安家”？

航天科技集團五院專家告訴中國青年報·中青在線記者，為了完成著陸器月球軟著陸探測任務，軟著陸區域的選擇應從兩個方面來考慮，也可稱之為“兩個有利於”，即有利於科學探測目標的實現和有利於工程的實施。

嫦娥四號遠赴月球背面，不是為簡單地寫下一句“到此一遊”，而要在科學探索上“大展拳腳”，選擇落區應滿足其科學探測的需要。

不少人選擇在“北上廣”等地扎根，圖的是大城市的豐富資源，嫦娥四號作為“月漂一族”，也是按照這個邏輯在月球上尋找安家地點，即選擇在地質現象豐富或成熟月壤區、礦產資源豐富的地區，如月海和高地的接觸帶、大型山脈、典型撞擊坑構造區域等。

南極-標記肯盆地內的馮·卡門撞擊坑就符合這樣的條件。中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁曾提到，馮·卡門撞擊坑具有較高的科學探測價值，坑內的釷、氧化鐵、二氧化鈦等含量均較高，同時物質組成的異常空間分布，可能提供火山活動以及月殼活動線索，有利於開展月殼活動研究，並對月幔玄武岩起源研究有重要意義。

這是其一，其二就是可行性。要辦好人類首次月球背面軟著陸這件大事，除了“天時”與“人和”，還要看“地利”——必須選擇在相對平坦的區域，否則，嫦娥落月就有可能鬧出“翻跟頭”的笑話。

“采光”不好也不行。用航天科技集團五院嫦娥四號探測器系統總設計師孫澤洲的話說，如果降落到低緯度地區，光照條件好、能源獲得充足，但對於熱控是巨大挑戰；如果降落在高緯度地區，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，嫦娥三號按照中高緯度降落來進行設計，嫦娥四號在月球背面著陸的緯度也確定在40度～50度的範圍內，孫澤洲說：“如此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。”

就這樣，嫦娥四號的新家園落在了馮·卡門撞擊坑內。

落月過程真的是“盲降”嗎？

相較於嫦娥三號，嫦娥四號的落月難度更大。吳偉仁打了一個比方：月球正面相當於我國的大平原，地勢平坦，但月球背面就有點像我國的西南山區，到處都是高山和撞擊坑；嫦娥三號相當於在華北平原著陸，而嫦娥四號則是在崇山峻嶺的雲貴川地區著陸。

航天科技集團五院502所製導、導航與控制系統科研人員給出一組數字：嫦娥三號月球正面著陸區地形起伏僅800米，著陸時可供選擇的區域範圍長約300公里、寬約90公里，而嫦娥四號月球背面著陸區地形起伏達6000米，只能在有限的相對大的撞擊坑裡尋找相對平坦的位置作為著陸區。何謂“平原”，何謂“山區”，可見一斑。

同樣困難的是，地球方向無法直接“看到”落月過程，所有的資訊傳輸都需要由“鵲橋”中繼星轉運站完成，期間會產生一定的延時，這對於瞬息萬變的降落過程顯然太久——這一難題，也是長期以來從未有探測器或宇航員著陸月球背面的主要原因。

因此，對地面人員來說，在月球背面降落近乎是“盲降”，任務風險和壓力都交給了製導、導航與控制系統。

嫦娥四號著陸器製導、導航與控制系統主任設計師、航天科技集團五院502所專家程銘說，航天是系統工程，高風險、高難度，每一個大大小小的因素都可能關係著整個任務的成敗，製導、導航與控制系統更是如此，它負責嫦娥四號著陸器和巡視器組合體奔月、環月、落月的整個過程的控制，“特別是臨近月球時的‘踩刹車’和落月的過程，沒有重來的機會，對系統的可靠性有著極高的要求。”

1月3日，程銘和團隊成員一起見證了嫦娥四號“盲降”的全過程——

首先是掉頭，做好下降準備，等到落月指令後，嫦娥四號按照製導、導航與控制系統的指揮，在距離月面15公里高度啟動發動機開始減速，同時調整姿態。

在距離月面8公里時，嫦娥四號變為垂直下降，直至最後100米——這是和嫦娥三號落月最大的不同。

“如果說嫦娥三號是以一個拋物線的形式著陸，那麽嫦娥四號就近乎垂直著陸。”按照孫澤洲的說法，這種著陸方式，在15公里到8公里高度為傾斜下降，8公里之後就改為垂直向下。與之相應的是，嫦娥四號著陸導航敏感器的性能就必須進一步提升。

距離月面100米處，嫦娥四號稍稍懸停，在空中緩了口氣，待選定落腳點後，才緩緩“飄”了下去。

孫澤洲表示，此舉是為保證落地時每隻腳都不踩到石頭上或坑裡，懸停即是對障礙物和坡度進行識別，找好理想著陸點。

大約10分鐘後，嫦娥四號自主著陸在月球背面南極-標記肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內。整個過程，地面人員都通過“鵲橋”中繼星觀看了“直播”。

不少人捏了一把冷汗：這其中不乏風險，比如，如果下降過程中，“鵲橋”中繼星的資訊傳輸“卡住”，影響到數據上傳，怎麽辦？

程銘透露，製導、導航與控制系統設計了延時數據注入功能，就是把要發送給著陸器電腦的數據，提前發送到著陸器上暫存，待到著陸器上的時間和該標簽相同時，數據便自動注入。如此，“鵲橋”中繼星的實時數據注入，就成為備份手段。

此外，這一系統還可以自主故障診斷與重構，換句話說，萬一真的發生了故障，系統可以自己給自己 “診斷”，找到病灶並剔除病灶，通過身體各部分功能的優化再組合，確保整體功能正常。

如今，隨著落月成功，嫦娥四號著陸器身上的製導、導航與控制系統完成了使命，但嫦娥四號任務還在繼續，後續還有月球車的月面就位探測、巡視探測，月晝月夜的交替等挑戰，這些將考驗在月球車身上的製導、導航與控制系統。

為何“多”飛了半個月才落月？

從2018年12月8日成功發射，到2019年1月3日成功著陸，嫦娥四號落月之旅歷時27天。相比之下，嫦娥三號探測器於2013年12月2日發射，當月14日即成功著陸，僅歷時13天。

同樣是落月，為何嫦娥四號比嫦娥三號多飛了半個月？

孫澤洲給出這樣的解釋：科研人員希望嫦娥四號探測器著陸時，所在的區域時間恰好是“白天”，以此可得到充分的太陽光能展開工作。

不過，嫦娥四號第一次近月製動後，軌道面到著陸區上方時，已是著陸區的“晚上”。嫦娥四號要做的，就是等月球的“白天”出現。

這一等就是半個月。孫澤洲說，由於月球自轉的周期剛好是28天，即月球上的“一天”相當於地球上的一個月，一個月晝或月夜則分別相當於地球上半個月。所以在月球黑夜開始繞月飛行的“嫦娥四號”探測器，就需要等上大約半個月。

既然如此，為何不推遲半個月發射？這就涉及發射視窗問題。嫦娥四號要在月球背面著陸，發射機會的交集只在12月8日和9日各有兩次，加起來也只有幾分鐘。

除了“等白天”，還有一個原因備受關注，那就是軌道調整和中繼星測試。

根據國家航天局公布的資訊，嫦娥四號探測器飛行過程分為發射階段、地月轉移階段、環月階段和動力下降階段。

12月8日，嫦娥四號探測器搭乘火箭發射；12月12日，嫦娥四號完成“太空刹車”，進入環月軌道；12月30日，嫦娥四號在環月軌道實施變軌控制，進入月球背面著陸準備軌道。

航天科技集團五院嫦娥四號著陸器總體副主任設計師許應喬稱，嫦娥四號與嫦娥三號在地月轉移軌道運行時間相當，只是環月段時間更長，長達20多天。原因有二，一是進行月球背面下降的軌道調整，二是進行中繼星的測試，從而更精確地降落。

12月12日，嫦娥四號完成“太空刹車”後，進行了兩次環月軌道修正，與“鵲橋”中繼星進行了4次中繼鏈路測試，開展了雷射測距、三維成像、微波測距測速等導航敏感器在軌測試，這些，都是為進入預定著陸區和軟著陸做最後準備。

如今，嫦娥四號已經張開雙臂，擁抱月球背面這片陌生的土地。接下來，伴隨著月球車玉兔二號的腳步，它們將看到更多未知風景，這些也將通過“鵲橋”中繼星傳回地球——這其中每一個發現，都有望成為人類科學史上的第一次。