揭開月球另一面的面紗——奔向月球背面的嫦娥四號

嫦娥奔月的古老神話在當(dāng)代中國重新演繹，并不斷延伸出新的“版本”。12月8日凌晨2時(shí)23分，我國探月工程再次出發(fā)——嫦娥四號成功發(fā)射。與以往任何一次不一樣，嫦娥四號最終將降落在月球背面，實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視探測?！斑@將是創(chuàng)造歷史的重大成就?！敝袊茖W(xué)院月球與深空探測總體部主任鄒永廖表示。

　　從20世紀(jì)50年代起，人類從未停止探月的步伐，發(fā)射到月球的探測器已經(jīng)有100多個(gè)，但至今沒有一個(gè)在月球背面著陸并進(jìn)行探測。目前有關(guān)月球背面的信息都是通過遙感探測和所拍照片獲得的，比較有限。對于人類來說，月球背面一直是一片神秘地帶。當(dāng)我們對月球正面的認(rèn)識逐漸深入的時(shí)候，對另一面卻知之甚少，嫦娥四號將第一次近距離地揭開它的面紗。

　　月球背面的魅力

　　很多人可能并不知道，嫦娥四號最開始是嫦娥三號的備份。“一旦嫦娥三號有變故，嫦娥四號就頂上?！辨隙鹚奶柼綔y器飛控試驗(yàn)隊(duì)副隊(duì)長、項(xiàng)目顧問譚梅回憶，結(jié)果嫦娥三號任務(wù)很成功，于是帶來另一個(gè)問題：下一發(fā)射任務(wù)(即嫦娥四號)到底怎么做?有科學(xué)家建議將探測器落到月球背面，也有人建議落到月球南極。經(jīng)過論證，最后選擇了月球背面。

　　由于月球的自轉(zhuǎn)周期恰好等于公轉(zhuǎn)周期，因此它的一面總是朝向地球，另一面總是背向地球，人類在地球上只能看到月球的正面，看不到背面。這個(gè)看不見的一面，對我們認(rèn)識月球甚至宇宙很重要。因?yàn)闊o論是物質(zhì)成分、形貌構(gòu)造上還是巖石年齡，月球背面和正面都有很大的差異?！皬恼w上看，月球背面的巖石更加古老。獲取更古老的巖石類型等物質(zhì)成分信息，對我們了解月球的演化過程有很大幫助?！编u永廖說。

　　根據(jù)計(jì)劃，嫦娥四號將會降落到90%的面積都分布在月球背面的艾肯盆地上。月球分為三大地體，即克里普巖地體、斜長高地巖地體、艾肯盆地地體?！扒皟蓚€(gè)地體美國、蘇聯(lián)都曾著陸和探測過，只有艾肯盆地地體沒有近距離探測過，是一塊處女地，在科學(xué)上會有很多新的發(fā)現(xiàn)?！编u永廖解釋，艾肯盆地是整個(gè)太陽系固體天體中最大最深的盆地，直徑大概2500公里，深度約12公里，對其進(jìn)行探測可以獲取月球深部物質(zhì)的信息。

　　此外，艾肯盆地目前被科學(xué)界認(rèn)為是39億年前撞擊形成的。在太陽系形成的46億年歷史里，撞擊非常多，39億年前正好是撞擊的峰值?！鞍凑粘Ｒ?guī)理論，撞擊密度、頻度、強(qiáng)度應(yīng)該是越早越大，為什么這個(gè)峰值出現(xiàn)在39億年而不是更早?到艾肯盆地開展精細(xì)探測，也許可以解開39億年撞擊峰值這個(gè)科學(xué)之謎?！编u永廖很期待。

　　到月球背面還有一個(gè)重要原因，即開展低頻射電天文觀測?！斑@一目標(biāo)是天文學(xué)家夢寐以求的，可以填補(bǔ)射電天文領(lǐng)域上在低頻觀測段的空白。”鄒永廖解釋，由于地球電磁環(huán)境的原因，在月球正面開展低頻射電觀測效果很不好。月球背面的電磁環(huán)境非常干凈，為開展空間科學(xué)領(lǐng)域最前沿的低頻射電天文觀測與研究提供了理想場所。

　　落月球背面不容易

　　“一把就直接落到月球背面”，這是當(dāng)時(shí)嫦娥四號任務(wù)確定后大家作出的決定。譚梅用了一個(gè)詞來形容這個(gè)決定——“藝高膽大”。因?yàn)?，要一次就?shí)現(xiàn)在月球背面著陸和巡視探測，并不容易。

　　首先，必須確保嫦娥四號能被準(zhǔn)確地送到預(yù)定軌道。嫦娥四號要發(fā)射到遠(yuǎn)地點(diǎn)約42萬公里的軌道，比嫦娥三號38萬公里的軌道更遠(yuǎn)，對火箭入軌精度的要求也更高。中國航天科技集團(tuán)一院火箭系統(tǒng)總指揮金志強(qiáng)介紹，嫦娥四號只有連續(xù)兩天的發(fā)射窗口(最佳發(fā)射時(shí)間)，這兩天里每天有兩個(gè)發(fā)射窗口。一般的衛(wèi)星發(fā)射窗口大概是一個(gè)小時(shí)甚至更長時(shí)間，但嫦娥四號一天里的發(fā)射窗口只有3分鐘，其中第一個(gè)發(fā)射窗口有效寬度2分鐘，46分鐘后進(jìn)入第二個(gè)發(fā)射窗口，窗口寬度僅1分鐘，必須在這兩天的3分鐘內(nèi)發(fā)射。“如果第一次沒有打上去，必須拆卸檢查，要花掉不少時(shí)間，肯定會錯(cuò)過剩下的窗口期?！?/p>

　　為了確保準(zhǔn)時(shí)發(fā)射和準(zhǔn)確入軌，科研人員對火箭的可靠性進(jìn)行了改進(jìn)。與嫦娥三號相比，嫦娥四號的火箭一共進(jìn)行了65項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，分布在發(fā)動機(jī)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、箭體結(jié)構(gòu)、增壓輸送系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)等13個(gè)箭上和地面分系統(tǒng)。而且，針對窄窗口發(fā)射、冬季發(fā)射等特征開展專題風(fēng)險(xiǎn)分析，制定了520項(xiàng)預(yù)案。

　　進(jìn)入預(yù)定軌道，最終能否準(zhǔn)確降落到月球背面并開始巡視探測，又是一個(gè)難題。嫦娥四號在月球背面軟著陸，但將受月球自身遮擋，無法直接與地球進(jìn)行測控通信和數(shù)據(jù)傳輸。也就是說，我們與嫦娥四號見不著面、對不上話。怎么辦?

　　解決辦法是建一個(gè)“通信中繼站”，讓嫦娥四號的通信數(shù)據(jù)通過中繼站發(fā)往地球。不過，中繼星的位置必須處于地球與月球引力平衡的平衡點(diǎn)，即地月拉格朗日L2點(diǎn)，此前國際上沒有過發(fā)射和運(yùn)行在該位置的衛(wèi)星。但中國航天人總是能迎難而上。2018年5月，嫦娥四號中繼星成功發(fā)射并進(jìn)入環(huán)繞L2點(diǎn)的使命軌道，它有一個(gè)很形象的名字——“鵲橋”，即為地月通信搭建橋梁。

　　有了“鵲橋”，嫦娥四號可以放心地登上月球背面。在嫦娥四號動力下降以后，地面無法“看到”著陸器或者巡視器，各項(xiàng)測控工作都將通過中繼星來完成，包括數(shù)據(jù)接收、狀態(tài)監(jiān)視以及對月球車在巡視過程中的操作控制等。

　　期待新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

　　如果一切順利，嫦娥四號探測器后續(xù)將經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行，最終實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸，開展月球背面就位探測及巡視探測。當(dāng)落地的那一刻，我們期待什么?

　　我們?yōu)殒隙鹚奶栠x擇了月球背面這樣一個(gè)目的地，這個(gè)目的地告訴了我們要做什么、期待什么。根據(jù)計(jì)劃，嫦娥四號的科學(xué)任務(wù)主要是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究;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)境探測研究。

　　專家表示，通過低頻射電天文觀測，我們可以研究宇宙起源和星球起源等;對月球低質(zhì)的探測和剖析，我們可以進(jìn)一步認(rèn)識月球的演化細(xì)節(jié)，甚至發(fā)現(xiàn)新的巖石、物質(zhì)類型等;對月表環(huán)境里的中子輻射劑量、中性原子等的探測，我們可以研究宇宙粒子輻射和太陽風(fēng)，為開發(fā)月球和載人登月做準(zhǔn)備，還可以尋找水資源。

　　當(dāng)然，嫦娥四號的科學(xué)目標(biāo)遠(yuǎn)不止于此?！皩τ谌魏我粋€(gè)地外天體而言，探測其空間和表面環(huán)境、地形地貌、物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)從比較行星學(xué)的方法論出發(fā)，系統(tǒng)地開展對地球、火星、月球等天體的比較研究，這樣才能更好地認(rèn)識它們。從這個(gè)意義上講，嫦娥四號對后續(xù)深空探測有重要意義?！编u永廖說。