[科普中國(guó)]-十大看點(diǎn)告訴你嫦娥四號(hào)到底多牛！

2018年12月8日2時(shí)23分，中國(guó)嫦娥四號(hào)探測(cè)器從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功起飛，開(kāi)始踏上奔向月球的旅程！

根據(jù)新華社消息，2019年1月3日10時(shí)26分，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(mén)撞擊坑內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)探測(cè)器首次在月球背面軟著陸。

發(fā)射成功現(xiàn)場(chǎng)（圖源：我們的太空微博）

它對(duì)中國(guó)探月、乃至整個(gè)人類(lèi)探月，到底有多大意義？本文十大看點(diǎn)為你全方位解讀。

看點(diǎn)一：為什么選擇探測(cè)月球背后？

地球上每天都有無(wú)數(shù)人舉頭望明月，對(duì)著它發(fā)出各式各樣的感慨。但極少有人意識(shí)到，從他們第一次看到月亮至今，除了月亮“形狀”（月相）的變化，月球表面的“圖案”其實(shí)從來(lái)沒(méi)變過(guò)，甚至最早人類(lèi)遠(yuǎn)祖古猿看到的月亮和今人并無(wú)區(qū)別。

動(dòng)圖：NASA的深空天氣探測(cè)衛(wèi)星在150萬(wàn)千米外日地拉格朗日點(diǎn)“定點(diǎn)”觀察而來(lái)的月球掠過(guò)地球，可以明顯看到月球只有一面對(duì)著地球（圖源：NASA）

道理很簡(jiǎn)單：

通過(guò)億萬(wàn)年的努力，巨大的地球把月球牢牢得實(shí)現(xiàn)了潮汐鎖定，使它圍繞地球一圈的公轉(zhuǎn)周期完全等于自身轉(zhuǎn)動(dòng)。從地球上就只能看到當(dāng)初它被固定朝向地球的一面。雖然由于月球天平動(dòng)和視差現(xiàn)象可以瞥見(jiàn)一小部分背面，但絕大部分都是看不到的。我們稱(chēng)之為“月球背面”，在一些文藝作品中，還被藝術(shù)得稱(chēng)為“月之暗面”。需要注意的是，月球背面也能被太陽(yáng)照到，并不“暗”，只不過(guò)人類(lèi)看不到而已。

看點(diǎn)二：“我選擇著陸月球背后，不是因?yàn)樗?jiǎn)單，而是因?yàn)樗y”

人類(lèi)月球探測(cè)、甚至人類(lèi)航天的巔峰就是大名鼎鼎的阿波羅登月工程，它留下了載入史冊(cè)的三句話(huà)：

肯尼迪總統(tǒng)說(shuō)過(guò)兩句：“我們要在這個(gè)十年結(jié)束前，把宇航員送上月球，再安全送回來(lái)”，“我們選擇登月，不是因?yàn)樗?jiǎn)單，而是因?yàn)樗茈y”。

經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)航天人的努力，終于在1969年7月20日，由阿姆斯特朗說(shuō)出了最著名的那一句：“這是我的一小步，卻是全人類(lèi)的一大步”。

到中國(guó)嫦娥三號(hào)時(shí)，人類(lèi)已經(jīng)在月球正面有過(guò)20個(gè)著陸器，然而背面為0（圖源：Wikipedia）

但是，所有的阿波羅載人任務(wù)、甚至蘇聯(lián)和美國(guó)的其他無(wú)人著陸月球任務(wù)都集中在月球正面，對(duì)這里人類(lèi)已經(jīng)了解得非常多?，F(xiàn)在，不僅頂級(jí)科學(xué)家可以每天用激光精確監(jiān)測(cè)地月距離和表面情況，普通天文愛(ài)好者也可以用望遠(yuǎn)鏡了解月球正面的每一個(gè)月海、每一座環(huán)形山。阿波羅計(jì)劃甚至送了12名宇航員登陸月球正面、還帶回了382千克的單體樣本。

之所以一直探測(cè)正面、在正面著陸，卻從不去背面，一個(gè)重要原因就是背面著陸的難度大大難于正面。

因?yàn)樘K美太空競(jìng)賽的走向逐漸變成“耗資不菲但收獲有限”，二者先后放棄了月球探測(cè)。也給人類(lèi)的月球探測(cè)留下了一個(gè)大挑戰(zhàn)：誰(shuí)能成功著陸月球背面？我們要因?yàn)殡y，就不去了嗎？

嫦娥四號(hào)做出了回答：“我選擇著陸月球背后，不是因?yàn)樗?jiǎn)單，而是因?yàn)樗y”。

看點(diǎn)三：月球背后探測(cè)會(huì)給科研界帶來(lái)什么？

直接劃重點(diǎn)：

a. 月球背面幾乎全是環(huán)形山/隕石坑（97.5%），比正面多得多（69%），形成原因和目前的情況只有理論解釋?zhuān)狈?shí)地驗(yàn)證；

b. 月球背面南極-艾特肯盆地，是太陽(yáng)系第二大超級(jí)隕石坑，早在1998年，NASA的月球勘探者號(hào)就發(fā)現(xiàn)這里存在水冰，而且更接近月球最原始的情況；

c. 嫦娥四號(hào)實(shí)際著陸地點(diǎn)位于該區(qū)域中部的馮·卡門(mén)環(huán)形山，它以錢(qián)學(xué)森的恩師的名字命名。這里經(jīng)過(guò)了強(qiáng)烈碰撞，極可能曾經(jīng)被熔巖淹沒(méi)，各類(lèi)物質(zhì)含量豐富，或許留有月幔最原始的成分，保留了月球最深層的秘密；

d. “月球上氦三能量開(kāi)發(fā)可供人類(lèi)能源需求XX萬(wàn)/億年”的說(shuō)法，相信大家已經(jīng)看過(guò)很多了，而理論上月球背面環(huán)境更容易產(chǎn)生氦三；

e. 月球背面有天然的“屏蔽”，沒(méi)有任何來(lái)自地球的輻射干擾，這意味著它有著無(wú)比完美的安靜環(huán)境做天文觀測(cè)；

f. 月球背面的月壤也極有可能與正面大不相同。

月球正面（左）和月球背面（右）看起來(lái)截然不同（圖源：NASA）

以上，基本意味著第一個(gè)實(shí)現(xiàn)月球背面著陸的探測(cè)器將會(huì)收獲眾多獨(dú)特的科研成果，對(duì)世界航天和天文界都將是巨大的貢獻(xiàn)。

看點(diǎn)四：月球擋住了，信號(hào)咋辦？

既然月球擋住了背面，就要布置一顆信號(hào)中繼衛(wèi)星，為著陸器做準(zhǔn)備和全程信號(hào)支持。從上個(gè)世紀(jì)六十年代開(kāi)始，NASA就一直在提設(shè)想、論證，但從未實(shí)踐過(guò)。目前，中國(guó)已經(jīng)完成了這一任務(wù)：早在今年5月份，就成功部署了“鵲橋號(hào)”中繼衛(wèi)星，在月球背后6.5萬(wàn)公里之外的地月拉格朗日二點(diǎn)附近Halo軌道簇上運(yùn)行。

鵲橋號(hào)中繼星與地球、月球的軌道關(guān)系（圖源：吳偉仁等）

這是人類(lèi)歷史上首個(gè)月球信號(hào)中繼衛(wèi)星，架起了地球和月球背后的“鵲橋”，它將全程見(jiàn)證嫦娥四號(hào)的探測(cè)過(guò)程，也將負(fù)責(zé)嫦娥四號(hào)的全程通信。

看點(diǎn)五：著陸區(qū)域到底有多復(fù)雜？

月球背面隕石坑密布、尤其南極-艾特肯盆地的地形和高程圖異常復(fù)雜，對(duì)各種配合著陸傳感器的系統(tǒng)要求很高。**尤其是高度方面的變化速度超過(guò)了以往任何一次著陸，最大落差高達(dá)16.1千米。**馮·卡門(mén)環(huán)形山屬于其中一塊核心區(qū)域，對(duì)嫦娥四號(hào)而言，相當(dāng)于翻越崇山峻嶺來(lái)找它。

如果把此前探測(cè)器在月球正面的著陸情形描述為小船輕輕劃過(guò)湖面，嫦娥四號(hào)在月球背面的著陸就好比在風(fēng)暴洋中沖浪，難度不可同日而語(yǔ)。

南極-艾特肯盆地的地形圖復(fù)雜程度遠(yuǎn)超其他地方，圖中標(biāo)注處即馮·卡門(mén)環(huán)形山（圖修改自：Garrick-Bethell and Zuber）

為了成功著陸并釋放月球車(chē)探測(cè)，所克服的難度和意義可想而知。

看點(diǎn)六：為什么四天就到月球，還遲遲不著陸？

嫦娥四號(hào)早在12月8日就出發(fā)，使用了我國(guó)目前深空探測(cè)的最強(qiáng)火箭長(zhǎng)三乙改III型。3.8噸重的它僅花了4天14時(shí)16分就完成了發(fā)射、軌道校正、近月制動(dòng)、進(jìn)入工作軌道，是四次主要任務(wù)中最短的一個(gè)。但依然等到了2019年1月3日才進(jìn)行著陸任務(wù)。

為什么需要這么長(zhǎng)的時(shí)間呢？

是為了等待時(shí)機(jī)。

月球被潮汐鎖定，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相同，導(dǎo)致它的一天就是一年，一半是黑夜一半是白天。換做地球時(shí)間就是近14天交替的白天黑夜。在進(jìn)入月球軌道后，嫦娥四號(hào)一邊測(cè)試儀器，一邊等待月球進(jìn)入白天，畢竟它的主要能量來(lái)源是太陽(yáng)能。

光線(xiàn)照射形成的影子，也是著陸時(shí)判斷地形的重要圖像參考（圖源：NASA）

另一方面，由于降落地點(diǎn)處于南極附近，它需要逐漸調(diào)整軌道傾角才能經(jīng)過(guò)這里，比較耗時(shí)。同時(shí)，也要等待太陽(yáng)光照在月球的角度達(dá)到理想的狀態(tài)，這樣所有的地貌都會(huì)有比較清晰的陰影，最大程度輔助光學(xué)設(shè)備選擇并定位著陸地點(diǎn)。

網(wǎng)上有說(shuō)法是，阿波羅登月的選擇時(shí)間參考了中國(guó)的傳統(tǒng)歷法——農(nóng)歷，某種程度上，這個(gè)說(shuō)法挺有道理，因?yàn)檗r(nóng)歷與月相一致，月相又說(shuō)明了月球上太陽(yáng)光照情況。這是登月設(shè)備的重要參考。

看點(diǎn)七：嫦娥四號(hào)著陸怎么“走位”？

由于降落的難度大大增加，嫦娥四號(hào)的著陸方式也將作出改動(dòng)。由于著陸地的獨(dú)特地貌特點(diǎn)，它的避障需求遠(yuǎn)高于其他著陸任務(wù)。

嫦娥三號(hào)和四號(hào)動(dòng)力下降過(guò)程對(duì)比（圖源：李飛等）

可以看出，在進(jìn)入準(zhǔn)備階段后，嫦娥四號(hào)的軌跡不降反升，而后進(jìn)入一個(gè)幾乎要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離垂直下降過(guò)程，期間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過(guò)程，難度極大。這么一個(gè)復(fù)雜的“走位”，對(duì)自主導(dǎo)航制導(dǎo)與控制要求極高。

看點(diǎn)八：嫦娥四號(hào)的能量怎么來(lái)？

采用太陽(yáng)能電池板和充電電池組合，是很多月球探測(cè)器的基本配備。在（月球）白天，月球上太陽(yáng)能極其充沛，太陽(yáng)能電池板充電，剩余電能儲(chǔ)蓄下來(lái)，所有系統(tǒng)正常工作。晚上能量不足，只能冬眠或降低工作強(qiáng)度。我國(guó)的嫦娥三號(hào)和玉兔號(hào)任務(wù)，以及蘇聯(lián)、美國(guó)諸多無(wú)人探測(cè)器，大都采用這個(gè)方案。

2013年12月2日發(fā)射的嫦娥三號(hào)和玉兔號(hào)月球車(chē)，它們能量主要依靠太陽(yáng)能電池板（圖源：中國(guó)航天科技集團(tuán)）

為應(yīng)對(duì)夜晚過(guò)低的溫度，探測(cè)器還需要攜帶放射性同位素元素钚-238，它的半衰期長(zhǎng)達(dá)88年，會(huì)源源不斷釋放熱量，做保溫用，嫦娥三號(hào)即是如此。與此同時(shí)，它的熱量也可以收集起來(lái)用以發(fā)電，這就是大名鼎鼎的“核電池”，太陽(yáng)系的五個(gè)使者：先鋒十號(hào)、先鋒十一號(hào)、旅行者一號(hào)、旅行者二號(hào)、新視野號(hào)，皆是依靠它實(shí)現(xiàn)了深空之旅。

而在嫦娥四號(hào)上，中國(guó)將首次實(shí)驗(yàn)自己的“核電池”技術(shù)。盡管它不是最主要的能量來(lái)源，但這個(gè)突破已經(jīng)意義重大。

看點(diǎn)九：逆襲的備份！

嫦娥四號(hào)原本是嫦娥三號(hào)的備份版本，但毫無(wú)疑問(wèn)，目前它的科學(xué)和工程目標(biāo)都大大超出了前者。在嫦娥四號(hào)動(dòng)力下降過(guò)程中，它需要鵲橋號(hào)配合完成全部動(dòng)作，這就要求對(duì)星上傳感器和核心降落輔助設(shè)備進(jìn)行全新升級(jí)。

月面微型生態(tài)圈，帶有馬鈴薯、蠶、擬南芥和生命支撐系統(tǒng)（圖源：重慶大學(xué)）

基于過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，嫦娥四號(hào)對(duì)月球車(chē)進(jìn)行了一定改進(jìn)，以期延長(zhǎng)使用壽命，擴(kuò)大科研成果。太陽(yáng)能帆板系統(tǒng)也升級(jí)為高效三結(jié)砷化鎵材料，能量來(lái)源更強(qiáng)勁。對(duì)嫦娥三號(hào)已有的測(cè)月雷達(dá)等設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。

此外，在科學(xué)儀器上，為充分利用月球背后的“干凈”天文觀測(cè)條件，它新增了探測(cè)中子及輻射劑量、低頻射電和中性原子等一系列設(shè)備。除了科研，它還攜帶了一個(gè)以科普為主要目標(biāo)的月面微型生態(tài)圈，里面有幾種生物，也是人類(lèi)首次進(jìn)行月面生物實(shí)驗(yàn)。

看點(diǎn)十：國(guó)際合作大突破

嫦娥探月工程作為中國(guó)最具標(biāo)志性大型科學(xué)研究項(xiàng)目之一，在擴(kuò)展中國(guó)航天國(guó)際影響力、甚至直接促進(jìn)國(guó)際合作方面的意義對(duì)我國(guó)而言是無(wú)可取代的，而嫦娥四號(hào)任務(wù)（本質(zhì)上鵲橋號(hào)中繼衛(wèi)星也屬于嫦娥四號(hào)任務(wù)的一部分）更是為中國(guó)航天邁出了突破性的一步。

嫦娥四號(hào)任務(wù)的火箭整流罩上有眾多國(guó)際機(jī)構(gòu)，可以看出這是個(gè)高度國(guó)際化的任務(wù)（圖源：中國(guó)航天科技集團(tuán)）

在科學(xué)方面，低射頻電探測(cè)儀是與荷蘭合作，月表中子與輻射劑量探測(cè)儀是與德國(guó)合作，中性原子探測(cè)儀是和瑞典合作，月球小型光學(xué)成像探測(cè)儀是與沙特合作。

在任務(wù)成功后，嫦娥四號(hào)收集來(lái)的一手科研數(shù)據(jù)將會(huì)對(duì)外全部公開(kāi)，歡迎全世界科學(xué)家共同研究。一言以蔽之：嫦娥工程是近些年中國(guó)航天在國(guó)際上最大的一張名片，造成廣泛影響的同時(shí)，也在行業(yè)內(nèi)外得到了很多關(guān)注，是我國(guó)航天對(duì)外開(kāi)放吸引合作的最佳平臺(tái)。

因而，眼前的嫦娥四號(hào)，不僅是中國(guó)的，更是全世界的。它的科學(xué)和工程意義，對(duì)整個(gè)人類(lèi)而言都是重大突破。

主要參考文獻(xiàn)：

1. 文中的“吳偉仁等”指來(lái)自此期刊文章：吳偉仁，王瓊，唐玉華，等. “嫦娥4號(hào)”月球背面軟著陸任務(wù)設(shè)計(jì)[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017， 4(2):111-117.

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3. NASA最早提出的完整月球信號(hào)中繼方案可見(jiàn)文章：Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.

4. 南極-艾特肯盆地高程原圖來(lái)自：Potter, R. W. K., G. S. Collins, W. S. Kiefer, P. J. McGovern, and D. A. Kring (2012), Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, Icarus, 220, 730–743, doi:10.1016/j.icarus.2012.05.032.

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