2020年12月17日，嫦娥五號返回器攜帶1731克月球樣品順利返回地球。這是人類時隔40多年后再次完成從月球采樣返回的壯舉，創(chuàng)造了五項中國“首次”，其中一項是世界“首次”。

嫦娥五號探月任務(wù)的圓滿完成，也為我國探月工程“繞、落、回”三個發(fā)展階段的戰(zhàn)略規(guī)劃畫上了圓滿句號，映照出中國特色的自主創(chuàng)新之路。

依據(jù)循序漸進(jìn)、分步實施和不斷跨越的原則，我國探月工程，即“嫦娥工程”，分為“繞月探測、落月探測、采樣返回探測”（簡稱“繞、落、回”）三個發(fā)展階段。

繞 月 探 測

我國探月工程第一階段，即繞月探測任務(wù)是通過發(fā)射嫦娥一號繞月探測器實現(xiàn)的，它標(biāo)志著中國航天向深空探測領(lǐng)域進(jìn)發(fā)的開始。繞月探測工程由繞月探測器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控和地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成，歷經(jīng)技術(shù)研究、方案論證、初樣研制、正樣研制和發(fā)射實施五個階段。

該任務(wù)有五大工程目標(biāo)：研制和發(fā)射中國第一顆繞月探測器；初步掌握繞月探測基本技術(shù)；首次開展月球科學(xué)探測；初步構(gòu)建月球探測航天工程系統(tǒng)；為月球探測后續(xù)工程積累經(jīng)驗。

該任務(wù)還具有四大科學(xué)目標(biāo)：獲取全月面三維影像，這對于更好地了解月球的地質(zhì)構(gòu)造和演化歷史有著重要意義；對月球表面的有用元素（指有開采價值的元素）進(jìn)行探測，初步編制各元素的月面分布圖；探測月壤特性，獲取月壤厚度的全月分布特征，研究月表年齡及演化，估算月壤中氦3的分布和資源量；探測地月空間環(huán)境，研究太陽活動對地月空間環(huán)境的影響。

2007年10月24日，我國第一個月球探測器——嫦娥一號繞月探測器由長征三號甲火箭送入太空，它于同年11月20日傳回第一幅月面圖像，這是繼東方紅一號人造地球衛(wèi)星、神舟五號載人飛船之后，我國航天事業(yè)發(fā)展的第三個里程碑。

嫦娥一號運(yùn)行在距月球表面約200千米高的極軌道上。與人造地球衛(wèi)星相比，它采用了較多新技術(shù)，例如軌道設(shè)計、三體定向、溫度控制和紫外敏感器等。

嫦娥一號上搭載了8種科學(xué)儀器：

CCD立體相機(jī)

獲取月球表面三維立體圖像，分辨率120米；

激光高度計

測量月球表面到衛(wèi)星的高度；

干涉成像光譜儀、γ射線譜儀、X射線譜儀

分別探測月球表面不同物質(zhì)的化學(xué)元素；

在世界上首次使用的微波探測儀

測量月球微波輻射特征，從而反演月壤厚度；

太陽高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器

探測從地球至月球的空間環(huán)境。

2008年7月1日，嫦娥一號完成了全月球影像數(shù)據(jù)的獲??；同年10月24日，嫦娥一號在軌一年壽命期滿，完成各項任務(wù)。此后，利用嫦娥一號開展了變軌等十余項驗證試驗。為了給探月工程第二階段“探路”，積累落月過程控制和軌道測定的經(jīng)驗，嫦娥一號于2009年3月1日受控撞擊了月球豐富海區(qū)域，成功完成硬著陸，即未經(jīng)專門減速裝置的減速，而以較大速度直接沖撞著陸。

嫦娥一號累計飛行494天，其中環(huán)月482天，比原計劃多飛117天；飛行期間經(jīng)歷3次月食；傳回1.37太字節(jié)有效科學(xué)探測數(shù)據(jù)；獲取了全月球影像圖、月表化學(xué)元素分布、月表礦物含量、月壤分布和近月空間環(huán)境等一批研究數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了中國在月球探測領(lǐng)域的空白。其中，嫦娥一號的CCD立體相機(jī)首次實現(xiàn)了月球表面100%覆蓋，使中國制作的全月球影像圖在幾何配準(zhǔn)精度、數(shù)據(jù)的完整性與一致性、圖像色調(diào)等方面均處于國際先進(jìn)水平。

落 月 探 測

從獲取探測數(shù)據(jù)的直接性和豐富性來看，軟著陸探測和巡視勘察是其他探測形式所不能替代的，我國探月第二階段的主要任務(wù)就是進(jìn)行落月探測。該任務(wù)是通過先后發(fā)射嫦娥二號、三號來實現(xiàn)的。

嫦娥二號的任務(wù)

由于落月探測要突破月球軟著陸、自動巡視勘察、深空測控通信和月夜生存等一系列關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)跨度和實施難度均較大，我國專家反復(fù)論證后決定，為了降低落月探測的風(fēng)險，在發(fā)射我國首個落月探測器嫦娥三號之前，先于2010年10月1日發(fā)射嫦娥二號空間探測器，用來突破嫦娥三號的部分關(guān)鍵技術(shù)。

嫦娥二號運(yùn)行在距月球表面約100千米高的極軌道上，設(shè)計壽命半年，分辨率7米，主要完成兩大任務(wù)：對新技術(shù)進(jìn)行試驗驗證，對未來的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像；獲得更加豐富和準(zhǔn)確的探測數(shù)據(jù)，深化對月球的科學(xué)認(rèn)知。

嫦娥二號的科學(xué)目標(biāo)與嫦娥一號一樣，但科學(xué)載荷全面升級，且運(yùn)行軌道低，因此獲得的數(shù)據(jù)精度更高。

與嫦娥一號相比，嫦娥二號實現(xiàn)了六個方面的技術(shù)創(chuàng)新與突破，即嫦娥二號的工程目標(biāo)：突破了運(yùn)載火箭直接將月球探測器發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù)；首次試驗了X頻率深空測控通信技術(shù)，初步驗證了深空測控通信體制；首次驗證了100千米月球軌道捕獲技術(shù)；首次驗證了近月點15千米、遠(yuǎn)月點100千米軌道機(jī)動與快速測定軌技術(shù)；首次試驗了小型降落相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)；通過“俯沖”對嫦娥三號預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行了高分辨率成像，分辨率優(yōu)于1.5米。

2011年4月1日，嫦娥二號的半年設(shè)計壽命期滿。此后，它開展了多項拓展試驗，并于同年8月25日首次實現(xiàn)從月球軌道出發(fā)，受控準(zhǔn)確進(jìn)入日地拉格朗日2點（簡稱日地L2點）環(huán)繞軌道，這使我國成為世界上第三個造訪日地L2點的國家，并開展了日地空間環(huán)境探測。

2012年6月1日，嫦娥二號再次成功變軌，飛往圖塔蒂斯小行星。同年12月13日，嫦娥二號以10.73千米/秒的相對速度，與圖塔蒂斯小行星由遠(yuǎn)及近“擦肩而過”，首次實現(xiàn)了我國對小行星的飛越探測，這使我國成為世界第四個探測小行星的國家。

嫦娥二號開創(chuàng)了中國航天通過一次發(fā)射開展月球、日地L2點、小行星等多目標(biāo)多任務(wù)探測的先河。

嫦娥三號的任務(wù)

嫦娥三號任務(wù)是探月工程第二階段的主任務(wù)，探測器由著陸器和巡視器（即玉兔號月球車）組成，實際上是發(fā)射了2個月球探測器，它們分別開展就位探測和巡視探測，這在國際上也是首次。2013年12月2日，嫦娥三號落月探測器成功進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日，嫦娥三號在月面軟著陸，首次實現(xiàn)我國在地球以外天體的軟著陸，即經(jīng)專門減速裝置減速后，以較小的速度安全著陸，最后無損壞降落到天體表面上。12月15日，嫦娥三號著陸器與玉兔號月球車互相拍照，這標(biāo)志著嫦娥三號任務(wù)取得成功，使我國成為世界第三個掌握落月探測技術(shù)的國家。

該任務(wù)的工程目標(biāo)有3個：突破月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運(yùn)載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)；研制月面軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站；建立月球探測航天工程基本體系，形成實施重大項目的科學(xué)有效的工程方法。

該任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)也有3個：調(diào)查著陸區(qū)與巡視區(qū)月表地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造；調(diào)查著陸區(qū)與巡視區(qū)月表物質(zhì)成分、月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可利用資源；探測地球等離子體層以及開展月基光學(xué)天文觀測。為此，在世界上首次使用了月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)和測月雷達(dá)。

為完成工程任務(wù)，嫦娥三號需要闖過著陸、巡視和月夜生存三大難關(guān)。

著陸器設(shè)計壽命為一年，著陸區(qū)為月球虹灣地區(qū)。馱著玉兔號月球車的著陸器在落月時利用1500～7500牛變推力發(fā)動機(jī)以及降落相機(jī)（通過降落相機(jī)拍攝的視頻來識別地面是否平坦）等一起克服了反推減速、自主控制和著陸緩沖三大技術(shù)難點，于2013年12月14日安全落在了月球虹灣以東區(qū)域。它采用的懸停、避障等智能著陸技術(shù)具有國際先進(jìn)水平。

此前，國外的月球著陸器多為盲降，所以成功率不高。即使到了2019年，以色列、印度的首個落月探測器也都著陸失敗，所以說在月球進(jìn)行軟著陸非常不易。

玉兔號月球車的質(zhì)量為137千克，可6輪獨立驅(qū)動、4輪獨立轉(zhuǎn)向，具有爬20°坡、越20厘米高障礙的自主越障和避障能力，移動速度為200米/小時。它首次靠“視覺”完成定位工作，當(dāng)遇到超過20°的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑時，能夠自主判斷，安全避讓。

落月后，嫦娥三號面臨的最大難關(guān)就是長月夜生存。為此，嫦娥三號首次采用了同位素?zé)嵩匆约皩?dǎo)熱流體回路、隔熱組件和電加熱器等，這相當(dāng)于給探測器“蓋被子”“生爐子”“開空調(diào)”，以確保艙內(nèi)溫度控制在-50℃～50℃之間，使探測器系統(tǒng)能順利度過約14個地球日、-180℃的長月夜，然后被喚醒工作。

至今，嫦娥三號開展了“測月”“巡天”“觀地”等科學(xué)探測，取得了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，在世界著名科技期刊上發(fā)表了不少科學(xué)成果。到2021年5月，嫦娥三號著陸器上的部分科學(xué)載荷仍在工作，所以嫦娥三號著陸器是目前世界上在月面工作時間最長的航天器。

采樣返回探測

我國探月工程第三階段的主要任務(wù)是采樣返回，即取回月球樣品供科學(xué)家在實驗室用多種儀器進(jìn)行精細(xì)研究。

為此，在2014年10月24日我國先發(fā)射了嫦娥五號T1航天器，突破和掌握了航天器超高速再入返回的關(guān)鍵技術(shù)。

2020年11月24日，長征五號遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射了重達(dá)8.2噸的嫦娥五號月球采樣返回探測器。它在月球表面特定區(qū)域軟著陸后進(jìn)行分析采樣，經(jīng)過上升、月地轉(zhuǎn)移和返回等一系列過程，在升空23天后，攜帶1731克月球樣品順利返回地球，使我國成為世界第三個探測器在月球采樣返回地球的國家。

嫦娥五號實現(xiàn)了我國開展航天活動以來的五項“首次”突破：首次月面自動采樣；首次從月面起飛；首次在38萬千米外的月球軌道上進(jìn)行無人交會對接（這也是世界首次）；首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球；首次建立我國月球樣品的存儲、分析和研究系統(tǒng)。

探月工程第四階段拉開序幕

2019年1月14日，我國宣布了探月第四階段任務(wù)，并把嫦娥四號作為第四階段的首次任務(wù)，后續(xù)還有3次任務(wù)：主要是探測月球兩極，并為建立月球科研站做準(zhǔn)備。嫦娥四號已于2019年初在月球背面著陸開展工作。

落月探測的意義

嫦娥四號是世界首個在月球背面進(jìn)行軟著陸和巡視探測的落月探測器。由于月球背面比正面保留著更為原始的狀態(tài)，詳查月球背面的環(huán)境、表面、淺深層和深層，對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。另外，在地球上永遠(yuǎn)看不到月球背面，即在月球背面可屏蔽來自地球和地球軌道的各種無線電干擾信號，因而能對在地球和地球軌道上無法分辨的宇宙中的低頻射電信號進(jìn)行監(jiān)測，有望取得重大天文學(xué)成果。

嫦娥四號的工程目標(biāo)：研制、發(fā)射月球中繼通信衛(wèi)星，實現(xiàn)國際首次地月拉格朗日2點（簡稱地月L2點）的測控及中繼通信；研制、發(fā)射月球著陸器和巡視器，實現(xiàn)國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。

嫦娥四號的科學(xué)目標(biāo)：對月球背面的環(huán)境進(jìn)行研究；對月球背面的表面、淺深層、深層進(jìn)行研究；用低頻射電探測儀探測宇宙天體。

中繼通信

由于在地球上永遠(yuǎn)看不到月球的背面，所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進(jìn)行無線電通信，為此，我國創(chuàng)造性地先把“鵲橋”月球中繼星送到了地月L2點的暈軌道，這在世界上是首次。在這個軌道上運(yùn)行的“鵲橋”能同時看到地球和月球背面，從而可為此后落在月球背面的嫦娥四號與地球站之間提供通信鏈路，傳輸測控通信信號和科學(xué)數(shù)據(jù)。

2018年5月21日，我國發(fā)射了首顆月球中繼星“鵲橋”，它于6月14日進(jìn)入地月L2點的暈軌道。

新的載荷

2018年12月8日，我國成功發(fā)射嫦娥四號落月探測器，它于2019年1月3日在月球背面馮·卡門撞擊坑完成軟著陸，這在世界上也是第一次。

作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號仍是由著陸器和巡視器（玉兔二號月球車）組成，但嫦娥四號與嫦娥三號的科學(xué)目標(biāo)差異很大，因此兩者所裝載的科學(xué)載荷有明顯變化，更新了部分科學(xué)載荷。

與嫦娥三號著陸器類似，嫦娥四號著陸器上仍裝有降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)，但增加了國內(nèi)新研發(fā)的低頻射電頻譜儀，以及德國的月表中子與輻射劑量探測儀，沒安裝嫦娥三號的月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)。

玉兔二號仍裝有全景相機(jī)、測月雷達(dá)、紅外成像光譜儀，并增加了瑞典的中性原子探測儀，沒安裝嫦娥三號的粒子激發(fā)X射線譜儀，這是國際首次在月表開展能量中性原子探測。

性能大增

嫦娥四號的著陸方式與工作狀態(tài)跟嫦娥三號也有很大區(qū)別，性能上有很大提升。例如：嫦娥三號的著陸區(qū)相當(dāng)于華北平原，而嫦娥四號的著陸區(qū)相當(dāng)于有崇山峻嶺的云貴川地區(qū)，所以嫦娥三號以弧形軌跡緩慢著陸，而嫦娥四號采取近乎垂直的著陸方式。

嫦娥三號在長月夜-180℃的環(huán)境中無法工作，但嫦娥四號采取了新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術(shù)，以保證其度過寒冷漫長的月夜及開展正常探測工作，從而在國內(nèi)首次實測了長月夜期間淺層月壤的溫度。

三大壯舉

嫦娥四號已經(jīng)或正在實現(xiàn)三大壯舉：首次實現(xiàn)了人類探測器造訪月球背面；首次實現(xiàn)了人類航天器在地月L2點的地月中繼通信；正為科學(xué)工作者提供月球背面空間科學(xué)研究平臺，獲取一批重大的原創(chuàng)性科學(xué)研究成果。

嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車分別于2021年4月19日完成了第29個月球日的工作，進(jìn)入了月夜休眠狀態(tài)。至此，月球車?yán)鄯e行駛里程708.9米。嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車狀態(tài)良好，能量平衡，各科學(xué)載荷工作正常?；诘谝皇值奶綔y數(shù)據(jù)持續(xù)產(chǎn)出，為深入揭示月球背面的各類科學(xué)問題打下了基礎(chǔ)。例如，在月球表面下發(fā)現(xiàn)了很多不同的巖石層，科學(xué)家們認(rèn)為這是由火山作用和強(qiáng)烈的小行星撞擊造成的。玉兔二號醒來后繼續(xù)向東北方向行進(jìn)，科學(xué)家們希望在那里找到玄武巖，以便對當(dāng)?shù)卦虑虮砻娴臍v史提供進(jìn)一步的見解。

未來，中國還將探測月球的兩極，與俄羅斯合作建立月球科研站[1]，最終實現(xiàn)載人登月和建立月球基地的夢想。

（本文作者龐之浩為全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家，《國際太空》雜志原執(zhí)行主編，《太空探索》《中國國家天文》雜志編委。）

[1]中俄兩國簽署合作建設(shè)國際月球科研站諒解備忘錄.人民網(wǎng)， 2021-03-09[2021-06-01]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=169375 8533738901881&wfr=spider&for=pc

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