尹懷勤

2019年，恰逢人類探索月球60周年，同時也是人類實現(xiàn)首次載人登月30周年。幾十年前，完成人類一系列載人登月飛行任務(wù)的“阿波羅計劃”，以美國總統(tǒng)肯尼迪的那句“我們選擇去月球，不是因為它很容易，而是因為它很難”為開端，而今天，隨著人類一次次探月的成功，月球的神秘面紗終于被一點點揭開。更加值得一提的是，就在2018年年底，中國成功發(fā)射了“嫦娥四號”探月器，實現(xiàn)人類首次軟著陸月球背面，“嫦娥”圓了“月背之夢”，也讓這個以往飽含科幻色彩的“月之暗面”公之于眾。探月路漫漫，“嫦娥奔月”的古老神話故事一步步變成現(xiàn)實，這其中承載和積淀的，是一代代中國航天人的辛勤耕耘。

本文將較為完整地介紹中國探月計劃，把“嫦娥奔月”那些事給同學們一次說個清楚。

月球到底有何魅力？

月球是人類發(fā)射航天器進行探測次數(shù)最多的地外天體，也是迄今為止航天員唯一登陸其表面的星球。然而，除了它鮮亮的外表和古代中國“嫦娥奔月”的美麗傳說讓許多人為之神往，月球到底有何魅力，讓一代代科學家為之辛勤探索？

回答這個問題，同學們要先把月球的概況了解清楚。月球作為地球的天然衛(wèi)星，人們通常將其稱為月亮。它沒有大氣層，不能發(fā)光，人們看到的月光僅是月球反射的太陽光。月球與地球的平均距離是38.44萬千米，直徑約3 678千米，其體積僅為地球體積的2%，質(zhì)量相當于地球質(zhì)量的1/81。月面重力約相當于地球重力的1/6（打個比方，如果你的體重在地球上測量為60千克，到月球上則約為10千克）。月球圍繞地球自西向東運行1周需要27日7時43分11.545秒。由于月球-繞地球公轉(zhuǎn)和它自轉(zhuǎn)的方向一致、周期相當，故而總是以同一面對著地球，而那個“從不示人”的另一面，便是月球的背面。

別看月球的體積相對地球來說很小，稀有金屬的儲藏量卻比地球多得多。月壤中還含有豐富的氦-3（一種無色、無味、無臭、性質(zhì)穩(wěn)定的氦同位素氣體），利用氘和氦-3進行的氦聚變可作為核電站的能源。有科學家預(yù)言，月球可能成為人類進駐外太空的起點。

中國如何探月？讓“嫦娥”告訴你

人類發(fā)射航天器探測地外天體便是從月球開始。2004年1月，中國的探月計劃經(jīng)過長期論證正式立項，被稱作“嫦娥工程”，具體按照“繞、落、回”三步走的計劃進行。

“嫦娥”，是中國當之無愧的“探月大使”。截至2018年年末，我國已經(jīng)先后順利完成了“繞”和“落”前兩步預(yù)定的探測任務(wù)。此外，“嫦娥二號”還進行了多項拓展性試驗，成為我國飛離地球最遠的航天器。

2014年10月，探月工程三期再入返回飛行試驗器試驗成功，則為“嫦娥五號”返回地球提供了技術(shù)支撐。而預(yù)計在2019年，我國將發(fā)射“嫦娥五號”探測器軟著陸月面采樣并返回地球，最終完成第三步“回”的探月任務(wù)。

說到這，你可能還記得前面提到過，月亮總是以一面對著地球，那些去往月球的探測器也絕大多數(shù)著陸于這一面，卻鮮有踏足“月球的另一面”。然而，就在2018年12月8日，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射“嫦娥四號”探測器，并成功軟著陸月球背面，這是人類首次，也是中國探月工程行進15年來又一嶄新的突破。

解開月背之謎，“嫦娥四號”來了

到中國“嫦娥三號”登月時，人類已經(jīng)在月球正面發(fā)射了20個著陸器，然而，背面依然為零。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，著陸月背的難度大大高于正面。

月之背為何如此神秘

在人類熟知的天體中，除了太陽，月球應(yīng)該是咱們的“老鄰居”了，然而這個“老鄰居”卻有一個怪習慣，就是永遠用一面對著人類，而另一面始終“羞于示人”，這到底是為什么呢？對于這一問題，有關(guān)專家指出，潮汐作用是原因之一。

原來，地球和月球之間是相互繞轉(zhuǎn)的，它們彼此都會給對方施加潮汐力。地球上的潮汐現(xiàn)象，便與月球?qū)Φ厍虻囊τ嘘P(guān)。而在月球形成早期，它的自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快得多，自轉(zhuǎn)周期只有幾個小時，數(shù)億年來，在潮汐力的作用下，月球自轉(zhuǎn)速度不斷變慢，直到現(xiàn)在，月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期變得幾乎一致——都是近28天，這才使得月球始終以一面對著地球。

人類自然會對它那“神秘的背面”產(chǎn)生好奇，可是卻限于科學技術(shù)的短板，一直心有余而力不足。要知道，月球背面有著天然的“屏障”，沒有任何來自地球的輻射干擾，這也意味著，即使人類將探測器發(fā)射成功著陸，也會因為探測器“失聯(lián)”而束手無策。

架起“鵲橋”連地月

在“嫦娥三號”任務(wù)取得圓滿成功后，我國最終確定了“嫦娥四號”著陸月球背面的實施方案，由此正式向著陸月球背面這個艱難的任務(wù)發(fā)起挑戰(zhàn)。

由于月球背面永遠躲在地球的視線之外，“嫦娥四號”著陸在月背之后如何實現(xiàn)與地球的信號傳輸就成了一個必須解決的問題。于是，我國科研人員構(gòu)想向地一月拉格朗日L2點發(fā)射一顆衛(wèi)星，在暈軌道（航天器圍繞平動點運動的軌跡，這個平動點在地一月連線的延長線上，軌道半徑超過3500千米）上運行，作為空間通訊中繼站，此舉也是“嫦娥四號”任務(wù)能夠成功開展的一大關(guān)鍵。

于是，2018年5月21日5時28分，我國在西昌用“長征四號”丙運載火箭成功將探月工程“嫦娥四號”任務(wù)“鵲橋”號中繼星發(fā)射升空。隨后，“鵲橋”號中繼星成功實施軌道捕獲控制，進入環(huán)繞距月球約6.5萬千米的地一月拉格朗日L2點的暈軌道運行。

“鵲橋”號中繼星就像建在地球和月球間的一座信息中轉(zhuǎn)站，專門用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)兩者發(fā)出的信號，在地月之間成功“架鵲橋”，讓月球背面不再是通信盲區(qū)（同學們?nèi)绻肓私飧釉敿毜膬?nèi)容，可以閱讀《科學大眾·中學生》2018年9期《解密“嫦娥”：“奔月”也是個“技術(shù)活”》一文）。

人類首次實現(xiàn)月球背面軟著陸

有了“鵲橋”中繼通訊衛(wèi)星這個利器，只等“嫦娥四號”成功著陸與之互通聯(lián)系，從而開啟我國探測月背之旅。

“……3、2、1，點火！”伴隨著巨大的火箭轟鳴，2018年12月8日2時23分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心“長征三號”乙運載火箭成功發(fā)射“嫦娥四號”探測衛(wèi)星。

相較于“嫦娥三號”，“嫦娥四號”落月難度更大，主要因為月球背面這一特殊環(huán)境。有專家形容，“‘嫦娥三號相當于在華北平原著陸，而‘嫦娥四號則是在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸”，落月過程地球方向不直接可見，所有信息傳輸都需要由中繼星“鵲橋”號中轉(zhuǎn)，這無疑增加了風險。于是，研究人員將落月系統(tǒng)（GNC系統(tǒng)）設(shè)計了延時數(shù)據(jù)注入功能，就是提前把要發(fā)送給著陸器計算機的數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器上暫存，這個數(shù)據(jù)包是帶有時間標簽的，待到著陸器上的時間和該標簽相同時，數(shù)據(jù)便自動注入。如此，“鵲橋”號就成為了備份手段。系統(tǒng)還可以全程自主進行故障診斷與重構(gòu)，萬一發(fā)生故障，探測器可以隨時給自己“診斷”，找到病灶并解決。通過各部分功能的優(yōu)化、再組合，著陸器可以確保整體功能正常。到2019年1月3日10時26分，“嫦娥四號”探測器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預(yù)選著陸區(qū)（月球背面南極艾特肯盆地內(nèi)的馮-卡門撞擊坑內(nèi)），并通過“鵲橋”號中繼星傳回了第一張近距離拍攝的月球背面照片。

與“嫦娥三號”相比，由于任務(wù)的不同，對“嫦娥四號”攜帶的有效載荷做了一些調(diào)整和變動。比如，在能源供給方式上，“嫦娥四號”采取新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術(shù)結(jié)合，也就是兩面太陽翼收集的太陽能和月球車上的同位素熱源兩種能源供給。當月夜來臨，同位素熱源將為儀器設(shè)備供熱，保證航天器在-180℃的環(huán)境中不受低溫影響。此外，“玉兔二號”月球車僅140千克，它是目前世界上最小的月球車巡視器。“玉兔二號”基本繼承了“玉兔”號的狀態(tài)，但它可以在晝夜溫差達300℃的月夜開展工作，為了避免裸露在外的電纜出現(xiàn)故障，科研人員在電纜摩擦方面進行了上千次實驗。針對月球背面復(fù)雜的月貌條件、中繼通信新的需求和科學目標的實際需要，也做了其他適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)整。

利用月球背面屏蔽地球無線電干擾的獨特條件，開展空間科學領(lǐng)域最前沿的低頻射電天文觀測，有望填補國際空白。這就是說，“嫦娥四號”能在月球背面的平靜區(qū)域開展對太陽和其他天體的科學觀測，成為射電天文學和其他相關(guān)科學研究的平臺。同時月球背面保存著很多古老的月殼巖石，“嫦娥四號”對其開展月貌特征調(diào)查，有望在國際上首次建立集月形月貌、淺層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分于一體的綜合月壤剖面和演化模型，獲得對月球早期演化歷史的新認識，更深入地了解月球的現(xiàn)實狀況。

此外，“嫦娥四號”還攜帶了包括棉花、油菜、土豆、擬南芥、酵母和果蠅6種生物樣本，承擔生物科普試驗工作，這也是人類首次在月球上種植植物，全部過程也會被相機記錄并回傳地球。

“嫦娥四號”開創(chuàng)了人類探測器在月球背面著陸的歷史，布滿撞擊坑和奧秘的月球背面也迎來了它的首位“地球客人”。探月工程三期收官之戰(zhàn)。交給它們

我國的探月工程第三期就是要達到發(fā)射航天器軟著陸月面完成月球采樣，并送回地球的目標。這項任務(wù)將要由新研制的“嫦娥五號”或者“嫦娥六號”來完成。

“嫦娥五號”探測衛(wèi)星著陸到月面后將進行鉆取和鏟取兩種方式的采樣，然后通過上升、交會對接、月地轉(zhuǎn)移和高速再入返回等一系列過程，將月球樣品運回地球，供科研人員進行詳細的實驗分析，以深化人類對月球情況的認識。

“嫦娥五號”探測衛(wèi)星由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個部分組成。其中著陸器將進行月面軟著陸，并自動進行月面采樣、樣品封裝等操作。將樣品由著陸器的上升器攜帶升空進入月球軌道，與環(huán)月軌道上的軌道器對接，將樣品轉(zhuǎn)移到返回器內(nèi)部。最后軌道器攜帶返回器點火機動，從環(huán)月軌道直接返回地球，返回器將在再入大氣層前分離，最后降落在我國北方的內(nèi)蒙古草原上。

“嫦娥五號”探測衛(wèi)星預(yù)計2019年由“長征五號”運載火箭在海南省文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空?！版隙鹑枴辈坏?噸，而“嫦娥五號”卻達到8-2噸，質(zhì)量增加了1倍多，因此其發(fā)射任務(wù)要使用推力更大的“長征五號”火箭來執(zhí)行。

如果“嫦娥五號”順利完成任務(wù)的話，可以攜帶2千克月球樣本返回地球。1970-1976年蘇聯(lián)的3個“月球”號探測器合計取回月樣僅為320克，相比之下，可見“嫦娥五號”的優(yōu)越性能。

按照我國探月工程的慣例，“嫦娥五號”還有一個備份星“嫦娥六號”?！版隙鹞逄枴蓖碉w行如果成功，“嫦娥六號”將會改進技術(shù)水平，根據(jù)已有的月球探測成果，選取探測價值更大區(qū)域取樣返回。

“嫦娥五號”和“嫦娥六號”共同完成中國探月三期工程后，將為我國載人登月奠定一定的基礎(chǔ)，使“九天攬月”由探月階段進入登月階段。時逢盛世鑄輝煌，濃墨重彩譜華章。相信我國航天科技工作者一定會為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢作出更大貢獻！