尹懷勤

國(guó)防科工局今年1月宣布，我國(guó)“嫦娥四號(hào)”探月衛(wèi)星已經(jīng)通過(guò)探月工程重大專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組審議，將在2018年發(fā)射，去完成人類(lèi)航天器月球背面的首次軟著陸。雖然人類(lèi)對(duì)月球探測(cè)已有半個(gè)多世紀(jì)之久，但尚未有探月衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)月球背面著陸。因此，這一消息引起了國(guó)內(nèi)外業(yè)界人士的高度關(guān)注。

“嫦娥工程”增添的一項(xiàng)新任務(wù)

眾所周知，我國(guó)的探月工程又被叫做“嫦娥工程”，具體計(jì)劃分為“繞、落、回”三個(gè)階段。

由于“嫦娥三號(hào)”的任務(wù)于2013年12月4日順利完成，因此探月專(zhuān)家就萌生了讓它的備份器“嫦娥四號(hào)”去完成一些新任務(wù)的想法。于是，“嫦娥四號(hào)”在月球背面軟著陸的使命便應(yīng)運(yùn)而生了。

由于軟著陸月背的環(huán)境條件和肩負(fù)的使命不同，科研人員將“嫦娥四號(hào)”攜帶的有效載荷做了一些調(diào)整和變動(dòng)：保留了“嫦娥三號(hào)”上的降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)，以及巡視器上的全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)和紅外成像光譜儀;新增了著陸器上的低頻射電頻譜儀、與俄羅斯合作研發(fā)的月塵測(cè)量?jī)x，巡視器上還可能攜帶與瑞典合作研發(fā)的中性粒子探測(cè)儀。

2016年3月，為了激發(fā)公眾的探索熱情，國(guó)防科工局聯(lián)合四部委，向公眾發(fā)起了可工作在“嫦娥四號(hào)”著陸器、巡視器或中繼衛(wèi)星上，用于探測(cè)活動(dòng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)或技術(shù)試驗(yàn)的載荷創(chuàng)意征集活動(dòng)。這就表明，“嫦娥四號(hào)”升空時(shí)，還有可能攜帶其他新研制的有效載荷，成為一位集軍民融合、國(guó)際合作、公眾參與于一身的“月球使者”。

“嫦娥四號(hào)”落月的重要意義

月球背面之所以對(duì)人類(lèi)具有巨大誘惑力，是因?yàn)槟抢锎嬖谥粋€(gè)從月球南極延伸至中緯度區(qū)域的艾托肯盆地，其最寬處直徑達(dá)2400千米，深度約為8千米。由于該地終年不見(jiàn)陽(yáng)光，環(huán)境溫度很低，因此專(zhuān)家估計(jì)那里可能存在著儲(chǔ)量豐富的水冰。此外，該盆地還可能存在可供開(kāi)發(fā)的礦產(chǎn)資源。

艾托肯盆地

艾托肯盆地是太陽(yáng)系中擁有40億年歷史的極大、極深和極古老的火山口之一，很可能埋藏著太陽(yáng)系形成初期的秘密。航天專(zhuān)家認(rèn)為，可以在該盆地的合適位置部署一個(gè)低頻無(wú)線電天線陣，來(lái)觀測(cè)宇宙早期的第一批恒星，開(kāi)拓天文學(xué)的視野。

我國(guó)探月工程將利用月球背面屏蔽地球無(wú)線電干擾的獨(dú)特條件，開(kāi)展對(duì)太陽(yáng)和其他天體的科學(xué)觀測(cè)，讓其成為射電天文學(xué)和其他相關(guān)科學(xué)研究的平臺(tái)。同時(shí)，月球背面保存著很多最古老的月殼巖石，利用“嫦娥四號(hào)”對(duì)其開(kāi)展地質(zhì)特征調(diào)查，有望在國(guó)際上首次建立集月球地形地貌、淺層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分于一體的綜合地質(zhì)剖面和演化模型，幫助人類(lèi)獲得對(duì)月球早期演化歷史的新認(rèn)識(shí)，更深入地了解月球的現(xiàn)狀。從深空探測(cè)的角度而言，這都具有重要的科學(xué)價(jià)值。

“嫦娥四號(hào)”可能會(huì)在月球背面的南極艾托肯盆地獲取地幔物質(zhì)樣品

在地月L2點(diǎn)暈軌道實(shí)現(xiàn)中繼通信

由于月球背面永遠(yuǎn)背對(duì)地球，“嫦娥四號(hào)”軟著陸之后要實(shí)現(xiàn)與地球的信號(hào)傳輸，就需要向地球和月球系統(tǒng)的第二個(gè)平動(dòng)點(diǎn)，即地月系統(tǒng)拉格朗日-2點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)地月L2點(diǎn)）發(fā)射一顆衛(wèi)星作為空間通訊中繼站。此舉也是“嫦娥四號(hào)”探月任務(wù)獲得成功的一大關(guān)鍵。

地月系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)始終處于月球背面上空，并和月球一起以相等的角速度圍繞地球運(yùn)動(dòng)。因此從地球上無(wú)法用無(wú)線電與停泊在該點(diǎn)的航天器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，航天專(zhuān)家選擇了暈軌道的辦法予以應(yīng)對(duì)。

暈軌道就是位于垂直地-月連線平面內(nèi)的，以平動(dòng)點(diǎn)L2為圓心的圓形軌道。從地球上看，在暈軌道上運(yùn)行的航天器呈現(xiàn)為圍繞月球的視運(yùn)動(dòng)。由計(jì)算可知，當(dāng)軌道半徑大于3500千米時(shí)，即可達(dá)到可視效果。而圍繞平動(dòng)點(diǎn)運(yùn)行的航天器周期約為半個(gè)月，這樣就解決了與地面通信的難題。因此，運(yùn)行在地月系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)暈軌道上的航天器要成為稱(chēng)職的中繼站，必須要具備控制軌道的能力。

地月系統(tǒng)5個(gè)拉格朗日點(diǎn)分布示意圖

根據(jù)目前“嫦娥四號(hào)”探月衛(wèi)星的研制情況和方案來(lái)看，我國(guó)計(jì)劃在2018年6月先發(fā)射部署中繼星，同年年底再發(fā)射著陸器和巡視器。

綜上所述，此次“嫦娥四號(hào)”探月任務(wù)有望實(shí)現(xiàn)以下三大壯舉：首次實(shí)現(xiàn)人類(lèi)探測(cè)器造訪月球背面;首次為科技工作者提供月球背面空間科學(xué)研究平臺(tái)，獲得一批重大的原創(chuàng)性科研成果;首次實(shí)現(xiàn)人類(lèi)航天器在地月L2點(diǎn)對(duì)地月中繼通信。

月球背面就像被頭紗遮蓋的神秘女子的 “側(cè)臉”，誘得人們總想一睹芳容。然而，受通訊的限制，人們至今未曾遂愿。但我們堅(jiān)信，“嫦娥四號(hào)”探月衛(wèi)星必將一嘗所愿！這份自信，源于中國(guó)探月者們?cè)?jīng)交出的一份份令世人側(cè)目的滿意答卷！