人類首次月球背面軟著陸

自20世紀50年代起，人類探月的步伐已邁過了半個多世紀?；仡櫶皆率?，所有的阿波羅載人任務(wù)、甚至蘇聯(lián)和美國的其他無人著陸月球任務(wù)幾乎都集中在月球正面。之所以一直探測正面、在正面著陸，卻從不去背面，一個重要原因就是背面著陸的難度系數(shù)加大。

科研人員打了個比方：“月球正面就相當于我國的大平原，地勢平坦，但背面就有點像我國的西南山區(qū)，到處都是高山和撞擊坑，月背可供選擇的著陸區(qū)范圍只有正面的1/8。嫦娥三號著陸時可供選擇的區(qū)域范圍長約300千米、寬約90千米，而嫦娥四號只能在有限的相對大的撞擊坑里尋找相對平坦的位置作為著陸區(qū)，選擇范圍長寬各十幾千米。此外，嫦娥三號當時是斜著降落的，嫦娥四號如果也是斜著下來就要撞山了。在復雜的地形下，嫦娥四號要近乎垂直降落，著陸時間短、航程短，風險確實比較大?！?/p>

終于，此次我國嫦娥四號探測器成功著陸實現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸與巡視勘察，還傳回了全球首張近距離拍攝的月背影像圖。但是，這個過程中有一個繞不開的問題：站在地球的角度來看，月球背面被正面擋住，那怎樣實現(xiàn)通信，信號怎么辦？

事實上，要想實現(xiàn)月球背面探測器與地面站間的中繼衛(wèi)星通信，就要布置一顆信號中繼衛(wèi)星，為著陸器做準備和全程信號支持。在2018年5月份，我國就成功部署了“鵲橋”號中繼衛(wèi)星。這是人類歷史上首個月球信號中繼衛(wèi)星，架起了地球和月球背后的“鵲橋”，它將全程見證嫦娥四號的探測過程，也將負責嫦娥四號的全程通信。

接下來，嫦娥四號將不負重托，利用攜帶的荷蘭研制的低頻射電探測儀聆聽遙遠宇宙的聲音；利用德國研制的月表中子與輻射劑量探測儀，“勘探” 深埋月下的“礦藏”；還將利用瑞典研制的中性原子探測儀，測量太陽風粒子在月表的作用。此外，嫦娥四號還搭載有一項由重慶大學牽頭研制的科普載荷——“月面微型生態(tài)圈”，在荒涼月表上培育唯一的生命。

月球背面大有洞天

嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面，揭開了月背的神秘面紗。但是，月球為何會有背面？背面又有些什么？

事實上，由于月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等，加上被地球潮汐鎖定，地球強大的引力讓月球總是一面朝向地球。

就比如將一個人比作地球，另一個人比作月球，兩人面對面手拉手轉(zhuǎn)圈，就會發(fā)現(xiàn)只能看到一個人的正面，并且，自轉(zhuǎn)一圈的時間和他人繞著轉(zhuǎn)一圈的時間相同。所以人類在地球上只能憑肉眼看見月球的正面，背面則看不見。

“月球背面是一片難得的寧靜之地，屏蔽了來自地球的無線電信號干擾。這次探測可以填補射電天文領(lǐng)域在低頻觀測段的空白，將為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。”探月工程嫦娥四號任務(wù)新聞發(fā)言人在接受媒體采訪時表示。

據(jù)了解，嫦娥四號的著陸點位于月球背面南極的馮·卡門環(huán)形山，它是一座巨大的古撞擊坑，而馮·卡門環(huán)形山位于更大的艾特肯盆地中。該盆地直徑大約2 500千米，深13千米，從坑底最深處到最高處落差大約16千米，這是太陽系內(nèi)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，比月球正面多得多。

該盆地保存了原始月殼的巖石，收集這個區(qū)域巖石的數(shù)據(jù)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。

“坐月觀天”及“看地”都是極好的

在研究人員看來，月球這地方之所以如此受青睞，主要是因為地段好。

月球是離地球最近的天體，在月球上可以實現(xiàn)得天獨厚的對天觀測、對地觀測和對月觀測。月球上沒有大氣層，其背面沒有無線電噪聲干擾，在那里開展天文觀測，可獲得更暗弱的宇宙信息。同時，相對地球來說，月球的地質(zhì)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，有利于開展長期精密的天文觀測。

“特別值得一提的是，月球還有兩個優(yōu)勢：一是月球南北兩極的永久陰影區(qū)溫度極低，某些地區(qū)只比絕對零度高二三十攝氏度，可以進行紅外天文觀測；二是月球背面是一片難得的寧靜區(qū)域，沒有任何人為的無線電噪聲干擾，能更靈敏地監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱電磁信號?！笨蒲腥藛T說。

此外，雖然科學家目前已經(jīng)有了各種高分辨率衛(wèi)星，但由于距離較近，很難看到地球全貌。而在月球上建立觀測站，可對地球進行全球大尺度觀測，如地殼結(jié)構(gòu)的起伏、地球表面植被和全球氣候變化等。

科研人員還表示，由于月球幾乎沒有大氣和地質(zhì)活動，巖石受到的損壞不大，研究月球巖石相當于研究地球39億年～40億年前的標本，可了解許多地球早期大氣狀態(tài)的信息，甚至有助于人們認識生命、地球、太陽系乃至整個宇宙的起源和演化歷史。

“鵲橋”傳影的開創(chuàng)性

此次隨嫦娥四號登月的，還有4臺神秘的小相機，包括3臺監(jiān)視相機和1臺降落相機。這4臺CMOS（圖像傳感器）相機如同一個媒體團，在嫦娥四號到達月面之前便做好了全方位的分工和準備，為全球開啟一場“月背”探索現(xiàn)場的視覺盛宴。此次“月背拍攝”任務(wù)的艱巨性在于月背著陸過程的成像具有開創(chuàng)性。

降落相機——“直播”降落全程

嫦娥四號著陸器降落在月球背面的艾特肯盆地。降落相機安置于著陸器的底部艙內(nèi)，在著陸器降落過程中，相機以較高的幀頻進行拍照，直觀地反映月球表面地貌特征和區(qū)域地質(zhì)情況。

監(jiān)視相機——“監(jiān)視”兩器分離

嫦娥四號監(jiān)視相機共有3臺，主要任務(wù)是對巡視器與著陸器的釋放分離過程進行全程監(jiān)視，實現(xiàn)兩器解鎖、巡視器駛離連接支架等關(guān)鍵過程的監(jiān)測。同時，他們也可以為釋放分離過程中每一個指令的執(zhí)行情況提供直觀的視覺信息，并對下一個指令的執(zhí)行風險提供評估依據(jù)。巡視器釋放完畢后，裝在著陸器側(cè)面的監(jiān)視相機可定時拍攝不同太陽高度角下的月面圖像。

這些只有巴掌大小的相機看起來與我們平常使用的數(shù)碼相機無二，最重的不過700克，卻集成了光、機、電、熱等多項先進技術(shù)和自動曝光、實時圖像壓縮等智能化功能，在太空惡劣的輻射、溫度環(huán)境下，能承受發(fā)射時的強烈沖擊和振動，具備動態(tài)下清晰拍攝的能力，更具長壽命、高可靠性能，是真正輕小便攜的“航天智造”。

為了讓4臺相機發(fā)揮各自功能，在嫦娥三號CMOS相機研制基礎(chǔ)上，科研人員針對月球背面的著陸進行了復核復算。相機軟件在原來的基礎(chǔ)上也有適應(yīng)性的修改。因為嫦娥四號著陸在月球背面，導致探測器直接與地面監(jiān)測站通信需要通過月球中繼衛(wèi)星“轉(zhuǎn)手”，探測器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a速率大幅度降低。針對這一情況，降落相機FPGA軟件增加了一種高壓縮比圖像數(shù)據(jù)，完美解決了動力下降過程中實時圖像觀察與科學數(shù)據(jù)采集這兩大任務(wù)需求，即探測器動力下降過程中，相機地面軟件實時接收降落相機拍攝的高壓縮比圖像，探測器落月后再回放降落相機拍攝的科學數(shù)據(jù)。

降落相機采集探測器的落月區(qū)域圖像，尤其是對月球背面成像，對探測器落月區(qū)域的科學研究具有重大意義。監(jiān)視相機對著陸器和巡視器兩器分離提供重要視覺支持，并完成對巡視器活動區(qū)域的監(jiān)視，其圖像還可用于分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)情況，從而輔助其他載荷進行科學探測。