●臨滄市第一中學(xué) 鄭德楊

很榮幸于2018年12月7日當(dāng)晚，乘車前往位于大涼山腹地的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，隨航天專家近距離感受航天魅力與風(fēng)采，有機(jī)會(huì)更深入了解“嫦娥四號(hào)”，并于12月8日凌晨0:23見證了人類歷史上首個(gè)在月球背面著陸的航天器“嫦娥四號(hào)”衛(wèi)星探測(cè)器的發(fā)射。途中還與隨行的臨滄市第一中學(xué)科創(chuàng)中心學(xué)生——李欣悅，中國(guó)空間站入圍項(xiàng)目設(shè)計(jì)者段瑋共同參觀了奔月樓。

現(xiàn)場(chǎng)“看”“測(cè)”奔月路

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)借助我國(guó)北斗衛(wèi)星，綜合技術(shù)處理獲得的發(fā)射場(chǎng)衛(wèi)星圖像以及相關(guān)參數(shù)，西昌發(fā)射中心面積136091.5平方米，周長(zhǎng)1598米。

從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射來看，2:23:36發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，2:23:41火箭飛離2號(hào)工位塔架最高度，火箭并沒有垂直飛行太長(zhǎng)時(shí)間，且有偏移?！版隙鹚奶?hào)”發(fā)射升空之后，首先往西偏北約33°方向飛行，西向飛行約2.6千米之后，貌似發(fā)動(dòng)機(jī)熄火片刻，往東飛行，隨后一直自西向東。02:25:40火箭仍然在肉眼可見視線范圍內(nèi)。

在“嫦娥一號(hào)”任務(wù)中，無論是在地球附近還是在月球附近，都要經(jīng)過多次軌道調(diào)整的過程。到“嫦娥二號(hào)”時(shí)，飛船測(cè)控和動(dòng)力控制技術(shù)的提高使得“嫦娥二號(hào)”在發(fā)射后由運(yùn)載火箭直接送入了地月轉(zhuǎn)移軌道，無需在地球附近進(jìn)行三次軌道調(diào)整。這次，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭帶著“嫦娥四號(hào)”走的是直飛月球的航線，這是使探測(cè)器省時(shí)省力的一條捷徑，也是國(guó)際上奔月的主流方式。經(jīng)過1000多秒的飛行，火箭把探測(cè)器送到地月轉(zhuǎn)移軌道入口，而剩下的路就要靠探測(cè)器自己走了。

“嫦娥四號(hào)”的由來及任務(wù)

2014年，“嫦娥三號(hào)”任務(wù)圓滿完成后，國(guó)防科工局牽頭組織開展了“嫦娥四號(hào)”任務(wù)實(shí)施方案調(diào)整的論證工作。綜合考慮國(guó)際前沿、科學(xué)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性等因素，最終確定了月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的總體方案。2016年1月經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)正式實(shí)施，包括一枚著陸器和巡視器（月球車）的組合體，以及一枚為著陸器/月球車與地球提供通訊的中繼衛(wèi)星“鵲橋”號(hào)。

“嫦娥4號(hào)”著陸器（左）和月球車（右）模型圖

“鵲橋”工作示意圖

“嫦娥四號(hào)”任務(wù)的工程目標(biāo)：一是研制發(fā)射月球中繼通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次地月拉格朗日L2點(diǎn)的測(cè)控及中繼通信；二是研制發(fā)射月球著陸器和巡視器，實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次月球背面軟著陸和巡視探測(cè)?！版隙鹚奶?hào)”的科學(xué)任務(wù)主要是開展月球背面低頻射電天文觀測(cè)與研究；開展月球背面巡視區(qū)形貌、礦物組份及月表淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)與研究；試驗(yàn)性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環(huán)境探測(cè)研究。

為何選擇西昌發(fā)射場(chǎng)？

中國(guó)目前有4大發(fā)射場(chǎng)，即：酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，神舟飛船從這里起飛，始建于1958年10月，位于甘肅省酒泉市及阿拉善盟兩市盟方圓2800平方千米范圍內(nèi)，是我國(guó)最早建設(shè)的衛(wèi)星發(fā)射中心；太原衛(wèi)星發(fā)射中心，發(fā)射極軌道衛(wèi)星主要基地，始建于1967年，位于山西省太原市西北的高原地區(qū)，地處溫帶，海拔1500米左右；西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，地球同步軌道衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的航天發(fā)射基地，始建于1970年，位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)，中心總部設(shè)在四川省西昌市；文昌衛(wèi)星發(fā)射中心，始建于2014年10月，占地12.354平方千米，位于海南省文昌市龍樓鎮(zhèn)境內(nèi)，是中國(guó)首個(gè)濱海發(fā)射基地，也是世界上為數(shù)不多的低緯度發(fā)射場(chǎng)之一。

自古便有“清風(fēng)雅雨建昌月”之說，“建昌”，今四川西昌，這里的月景特別有名。這座因月景而聞名的“月城”現(xiàn)在已經(jīng)成為了名副其實(shí)的探月港。

從理論上講，發(fā)射場(chǎng)離赤道越近，所處緯度越低，火箭的發(fā)射就能更充分地利用地球自轉(zhuǎn)的離心力。這樣，在進(jìn)行同樣的發(fā)射任務(wù)時(shí)，低緯度的發(fā)射場(chǎng)發(fā)射的火箭就可以使用更少的推進(jìn)劑，同時(shí)搭載更多的有效載荷。

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心相較于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心和太原衛(wèi)星發(fā)射中心最大的優(yōu)勢(shì)就是緯度低。在這樣的地理?xiàng)l件下發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星，能夠節(jié)省推進(jìn)劑進(jìn)而節(jié)省發(fā)射成本，因而更具優(yōu)勢(shì)。例如：每1.57°就可以節(jié)省1%推進(jìn)劑，相差23.5°，就可以節(jié)省15%的推進(jìn)劑，差距十分明顯。

此外，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心還有一個(gè)比較大的優(yōu)勢(shì)就是氣象條件好。西昌歷來就有小春城之稱，這里年平均氣溫18℃，日照多達(dá)320天，幾乎沒有霧天，所在地地質(zhì)結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，通訊環(huán)境也比較理想，所以嫦娥系列衛(wèi)星選擇在這里發(fā)射也就不足為奇了。

為何于2018年12月8日凌晨發(fā)射？

“……6、5、4、3、2、1，點(diǎn)火！”伴隨著巨大的火箭轟鳴，肩負(fù)著億萬中華兒女的探月飛天夢(mèng)想，2018年12月8日凌晨2時(shí)23分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器，開啟了月球探測(cè)的新旅程。

“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器發(fā)射日期只有12月8日、9日兩天，如果錯(cuò)過，就需要等到2019年甚至更往后，而且每天只有兩個(gè)發(fā)射窗口，第一個(gè)發(fā)射窗口有效寬度2分鐘，第二個(gè)發(fā)射窗口寬度僅1分鐘。發(fā)射窗口指運(yùn)載火箭發(fā)射比較合適的時(shí)間范圍，是根據(jù)航天器本身的要求及外部多種限制條件，經(jīng)綜合分析計(jì)算后確定的。時(shí)間范圍的大小也叫發(fā)射窗口的寬度。窗口寬度有寬有窄，寬的以小時(shí)甚至以天計(jì)算，窄的只有幾十秒，甚至為零。為了確保火箭準(zhǔn)時(shí)發(fā)射，研制團(tuán)隊(duì)一方面采用適應(yīng)多窗口、窄窗口約束的軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，另一方面對(duì)火箭主要分系統(tǒng)和重要單機(jī)采取可靠性設(shè)計(jì)和冗余改進(jìn)，確保滿足窄窗口發(fā)射約束。因此，選擇在凌晨發(fā)射，是受發(fā)射窗口限制，這是由于它們要在月球著陸，與月球交會(huì)的時(shí)間和落月的時(shí)間都受到約束。

選擇“嫦娥四號(hào)”發(fā)射窗口時(shí)，需要考慮很多約束條件，使得探測(cè)器與日、地（包括地面點(diǎn)和近地軌道）、月（包括著月點(diǎn)）的相對(duì)關(guān)系滿足月背著陸需求。例如，奔月軌道需要調(diào)整近月點(diǎn)經(jīng)度和飛行時(shí)間，讓環(huán)月軌道臨近著月點(diǎn)上空，為著陸器登月創(chuàng)造條件。在探測(cè)器奔月飛行過程中，要考慮太陽能帆板的受曬問題，要求太陽光入射方向與太陽帆板之間的夾角保持在一定范圍內(nèi)。此外，在飛行和著陸過程中，還要考慮探測(cè)器的連續(xù)測(cè)控問題。諸多約束條件的作用并不相同，有些決定發(fā)射月窗口，有些決定發(fā)射日窗口，還有一些約束可能形成對(duì)立關(guān)系。發(fā)射窗口就是在這些約束作用下，形成發(fā)射機(jī)會(huì)的交集?！版隙鹚奶?hào)”要在月背著陸，各種約束關(guān)系特別復(fù)雜，因此發(fā)射窗口只有幾分鐘。

中繼星“鵲橋”

“鵲橋”提供中繼通信服務(wù)，為地球和月球搭建一條跨越40多萬千米的通信“橋梁”。

2018年5月21日5點(diǎn)28分，在我國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，“嫦娥四號(hào)”中繼星“鵲橋”搭乘長(zhǎng)征四號(hào)丙遙二十七運(yùn)載火箭升空，送入預(yù)定近地點(diǎn)約200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)約40萬千米的地月轉(zhuǎn)移軌道。由于長(zhǎng)征四號(hào)丙火箭發(fā)射精度較好，“鵲橋”中繼星精確入軌，原計(jì)劃在近月制動(dòng)前實(shí)施的3次軌道中途修正，根據(jù)判據(jù)準(zhǔn)則，最終僅經(jīng)過1次中途修正，于5月25日到達(dá)近月點(diǎn)并于21時(shí)46分成功實(shí)施近月制動(dòng)后，順利進(jìn)入月球至地月L2點(diǎn)的轉(zhuǎn)移軌道。

2018年6月14日11時(shí)06分，探月工程“嫦娥四號(hào)”任務(wù)“鵲橋”中繼星成功實(shí)施軌道捕獲控制，進(jìn)入環(huán)繞距月球約6.5萬千米的地月拉格朗日L2點(diǎn)的Halo使命軌道，成為世界首顆運(yùn)行在地月L2點(diǎn)Halo軌道的衛(wèi)星。

近月制動(dòng)是“鵲橋”中繼星飛行過程中一次關(guān)鍵的軌道控制。中繼星飛臨月球附近時(shí)，其相對(duì)速度高于月球逃逸速度，有效減速制動(dòng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道至關(guān)重要。

地月拉格朗日2點(diǎn)（簡(jiǎn)稱“地月L2點(diǎn)”），距離地球40多萬千米，是5個(gè)地月拉格朗日點(diǎn)之一。地球和月球兩大天體在太空中運(yùn)動(dòng)，其萬有引力與離心力在這5個(gè)點(diǎn)處得以平衡。倘若這5個(gè)點(diǎn)處存在第三個(gè)天體，且這個(gè)天體的質(zhì)量相對(duì)于地球和月球無限小——譬如中繼星，那么它就可以和地月保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，受地月引力作用可以保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，從而節(jié)省衛(wèi)星燃料。

在5個(gè)地月引力平衡點(diǎn)中，L2點(diǎn)位于地球、月球兩個(gè)大天體的連線上，且在較小的天體（即月球）一側(cè)，又正好面向月球背面。“嫦娥四號(hào)”要在月球背面靠近南極的艾特肯盆地執(zhí)行任務(wù)，所以選擇L2點(diǎn)。如果中繼星“守”在地月L2點(diǎn)，受月球遮擋，就“看不見”地球了。所以，設(shè)計(jì)師為其設(shè)計(jì)了Z向振幅約1.3萬千米繞地月L2點(diǎn)的Halo軌道。“鵲橋”架設(shè)在這一軌道上，既能“看見”地球，又能“看見”月球，可以同時(shí)與地球和月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換。

地月L2點(diǎn)位于地月連線的延長(zhǎng)線上，該點(diǎn)軌道包括李薩茹軌道和Halo軌道，綜合考慮中繼星與“嫦娥四號(hào)”著陸器、巡視器的距離穩(wěn)定性、覆蓋率、軌道進(jìn)入和維持、月球遮擋影響等因素，科研人員經(jīng)反復(fù)研究，最終確定將Halo軌道作為“鵲橋”中繼星使命軌道。

Halo軌道中文稱為“暈軌道”（“暈”字借自日暈、月暈），軌道形狀不同于地球衛(wèi)星的橢圓軌道，而是三維非規(guī)則曲線，軌道控制非常復(fù)雜?！谤o橋”中繼星在Halo軌道做擬周期運(yùn)動(dòng)，通過定期軌控保持軌道的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)“嫦娥四號(hào)”著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

成功著陸月球背面過程

2019年1月3日10時(shí)26分，經(jīng)過26天的飛行，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6°、南緯45.5°附近的預(yù)選著陸區(qū)，成為人類首顆成功軟著陸月球背面的探測(cè)器，并通過“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。此次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次月背軟著陸、首次月背與地球的中繼通信，開啟了月球探測(cè)新篇章。

10時(shí)15分，科技人員在北京航天飛行控制中心，向“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器發(fā)出指令。隨后，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器從距離月面15千米處開始實(shí)施動(dòng)力下降，7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)，逐步將探測(cè)器的速度從相對(duì)月球1.7千米每秒降到零；在6-8千米處，探測(cè)器進(jìn)行快速姿態(tài)調(diào)整，不斷接近月球；從距月面100米處開始懸停，對(duì)障礙物和坡度進(jìn)行識(shí)別，并自主避障；選定相對(duì)平坦的區(qū)域后，開始緩速垂直下降。約690秒后，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)。落月過程中，降落相機(jī)拍攝了多張著陸區(qū)域影像圖。

“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器動(dòng)力下降過程降落相機(jī)拍攝的圖像

“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器月球背面軟著陸后降落相機(jī)拍攝的圖像

為何26天才落月？

其實(shí)早就到了，只是在等天亮。實(shí)際上，“嫦娥四號(hào)”早在2018年12月12日就已經(jīng)來到了月球附近，完成近月制動(dòng)并成功進(jìn)入繞月軌道，但那一天是農(nóng)歷的初六，月球背面剛好處于夜間。因此，“嫦娥四號(hào)”要在繞月軌道上等待一段時(shí)間，直到月球的背面天亮后，再擇機(jī)實(shí)施著陸。地球上的一天和一年分別是地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間。在一天中，將迎來太陽的東升西落和黑夜與白天的交替。而在月球上的某一位置，完成一次同樣的過程卻需要27.3個(gè)地球天，也即655小時(shí)的時(shí)間，與月球繞地球公轉(zhuǎn)的周期完全相同。

實(shí)際上，在月球形成的早期，月球的自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快，月球上“一天”的時(shí)間也比現(xiàn)在短。然而，月球在公轉(zhuǎn)過程中，受到地球的萬有引力并不均勻?？拷厍虻囊粋?cè)，萬有引力大于公轉(zhuǎn)的離心力，處于這側(cè)的巖石被拉伸，向靠近地球的方向隆起。在遠(yuǎn)離地球的一側(cè)，受力情況相反，巖石向遠(yuǎn)離地球的方向隆起。當(dāng)月球的公轉(zhuǎn)速度和自傳速度不同時(shí)，由潮汐力引起的隆起位置會(huì)不斷改變，但隆起位置的改變始終跟不上地球與月球中心連線方向的變化。在這個(gè)過程中，潮汐力將改變?cè)虑虻淖赞D(zhuǎn)速度，最終使得月球的自傳和公轉(zhuǎn)周期相同，潮汐力引起的隆起始終處于地月中心的連線上。這種現(xiàn)象被稱為“潮汐鎖定”。

在潮汐鎖定的作用下，月球朝向地球的部分是固定的，也就是我們能夠從地球上看到的那一面。隨著月球的自轉(zhuǎn)，月球表面被照亮的部分會(huì)逐漸發(fā)生改變。農(nóng)歷每月十五，月球面對(duì)地球的一面（月球正面）被太陽照亮，此時(shí)那里是白天，地球上的我們所看到的則是明亮的滿月。而每月初一，月球上背對(duì)地球的一面（月球背面）被照亮，朝向地球的一面則變得黑暗，我們也就看不到月亮了。十五前后，月球正面被照亮的區(qū)域多，而初一前后，月球背面被照亮的區(qū)域多。

為何選擇月背？

馮·卡門撞擊坑的直徑只有186千米——這意味著“嫦娥四號(hào)”必須落得非常準(zhǔn)。一旦偏了一點(diǎn)，就可能落不進(jìn)平坦的區(qū)域，而是撞上崎嶇的高山低谷了?！版隙鹚奶?hào)”的主著陸區(qū)南極附近的馮·卡門撞擊坑，著陸區(qū)面積比嫦娥三號(hào)月球正面的著陸區(qū)虹灣地區(qū)小了許多，而且月球背面山峰林立，大坑套小坑，不能像嫦娥三號(hào)那樣以弧形軌跡緩慢著陸，受月球背面環(huán)境影響，只能采取近乎垂直的著陸方式，這也加大了精準(zhǔn)著陸的風(fēng)險(xiǎn)。月球的背面崎嶇坎坷，鮮有大片平坦的地方。既然難度之大，為何還義無反顧選擇了月背呢？

“嫦娥四號(hào)”本次選擇探訪南極-艾特肯盆地，不僅僅是因?yàn)樵轮趁孢€沒有著陸任務(wù)去過，還因?yàn)槟蠘O-艾特肯盆地本身就有重要的、不可替代的科學(xué)價(jià)值?？茖W(xué)家認(rèn)為，月球背面更為古老，馮·卡門撞擊坑的物質(zhì)成分和地質(zhì)年代具有代表性，對(duì)研究月球和太陽系的早期歷史具有重要價(jià)值。月球背面也是一片難得的寧靜之地，屏蔽了來自地球的無線電信號(hào)干擾，在此開展低頻射電天文觀測(cè)可以填補(bǔ)射電天文領(lǐng)域在低頻觀測(cè)段的空白，為研究太陽、行星及太陽系外天體提供可能，也將為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。中國(guó)國(guó)家航天局愿以此為基礎(chǔ)，與世界各國(guó)航天機(jī)構(gòu)、空間科學(xué)研究機(jī)構(gòu)及國(guó)外空間科學(xué)愛好者，開展合作，共同探尋宇宙奧秘。

馮·卡門撞擊坑的位置和周圍的幾個(gè)撞擊坑，黃色為本次“嫦娥四號(hào)”的著陸點(diǎn)，淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樵潞Ｐ鋷r填充區(qū)域，這些區(qū)域非常平坦。

南極-艾特肯盆地，（簡(jiǎn)稱SPA）中的馮·卡門撞擊坑。這個(gè)撞擊坑是以航天工程學(xué)家、NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）的創(chuàng)始人之一馮·卡門的名字命名的，他也是“中國(guó)航天之父”錢學(xué)森先生的博士導(dǎo)師。直徑約2400千米、形成于月球前酒海紀(jì)（39.2億年前）的南極-艾特肯盆地深達(dá)12千米，是太陽系中目前已知最大的撞擊盆地之一，也是月球上最深、最古老的大型撞擊盆地。這里的起伏可以高達(dá)7千米，而且波動(dòng)明顯。

搭載的6種生物

隨“嫦娥四號(hào)”登陸月球背面的生物科普試驗(yàn)載荷中，搭載的棉花、油菜、土豆、擬南芥與同時(shí)搭載的酵母和果蠅構(gòu)成一個(gè)含有生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的微型生態(tài)系統(tǒng)。截止2019年1月17日，已經(jīng)有四顆種子萌發(fā)，一顆棉花種子在注水三天后萌發(fā)，目前長(zhǎng)勢(shì)良好，莖稈粗壯，另外三顆油菜種子在注水七天后萌發(fā)，目前已經(jīng)能看到綠油油的葉子長(zhǎng)出來。棉花種子首先成功發(fā)芽，這是因?yàn)樵虑虮砻孑d荷罐持續(xù)了幾天的高溫，在35度以上的高溫下棉花是非常開心的，棉花就是一種喜高溫的植物，在高溫下種子萌發(fā)速度更快。

搭載的科普試驗(yàn)生物，最終將在全封閉狀態(tài)的生物科普試驗(yàn)載荷罐中慢慢分解，不會(huì)對(duì)月球環(huán)境造成影響。

“嫦娥五號(hào)”將在哪里發(fā)射？

作為我國(guó)四大衛(wèi)星發(fā)射中心之一的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，嫦娥一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)都是從這里開啟飛天之旅的，備受矚目的“嫦娥五號(hào)”恐怕就不能在這里起航了。出于歷史原因以及隱蔽性和安全性的考慮，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心建在了大涼山。這就給火箭運(yùn)輸造成了麻煩。火箭運(yùn)輸只能靠鐵路，運(yùn)輸時(shí)需要穿越許多隧道，因此火箭組件的最大直徑不能超過3.5米。

計(jì)劃于2019年底承擔(dān)發(fā)射“嫦娥五號(hào)”任務(wù)的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的最大直徑超過了5米，因而無法選擇鐵路運(yùn)輸。所以“嫦娥五號(hào)”就不能選在西昌發(fā)射了。且文昌維度（北緯19°）比西昌（北緯28°）更低，距離赤道最近，發(fā)射方向1000千米范圍內(nèi)是茫茫大海，墜落的殘骸不易造成意外，是我國(guó)的最佳陸上發(fā)射場(chǎng)。