从“备份”到“首飞”：嫦娥四号月球背面着陆有三大技术难点

“嫦娥四号是人类首个在月球背面进行着陆和巡视的探测器。这次任务也是2018年国际上最具影响力的深空探测科学研究工程。”中国航天科技集团有限公司五院嫦娥四号总指挥赫荣伟表示。

12月8日，长征三号乙运载火箭成功将嫦娥四号探测器送入地月转移轨道，踏上了人类首次月球背面着陆探测的旅程。

曾是“备份”，实现“首飞”

2016年1月14日，嫦娥四号任务通过探月工程重大专项领导小组审议，正式开始实施。工程任务中的运载火箭系统、嫦娥探测器系统及“鹊桥”中继卫星均由中国航天科技集团有限公司抓总研制。

嫦娥四号原先是嫦娥三号的备份探测器，但2016年通过探月工程重大专项审议后，其有了新的使命——对月球背面进行软着陆探测。“但嫦娥四号绝不是嫦娥三号的复制品，它所承担的任务也不是重复它的前任，从某种意义上来说是一次真正意义上的‘首飞’。”中国航天科技集团有限公司五院嫦娥四号总设计师孙泽洲指出。

嫦娥三号任务的科学目标是开展月球形貌与地质构造调查，开展月表物质成分和可利用资源调查；进行月球内部的结构研究和日-地-月空间环境探测与月基天文观测。简言之，就是“测月、巡天、观地”。而“嫦娥四号”任务的科学目标是进行月基低频射点天文观测与研究；开展月球背面巡视区地形地貌和矿物组分探测与研究；实施月球背面巡视区浅层结构探测与研究。

不同的科学目标决定了，和嫦娥三号相比，嫦娥四号的探测仪器也会有区别。虽然嫦娥四号的基本架构继承了嫦娥三号，但科技人员根据着陆区域和科学目标的变化，对它携带的科学载荷做了很大的调整，为了完成这些科学探测任务，嫦娥四号把8台有效载荷带到了月球背面冯·卡门撞击坑。

着陆器携带4台有效载荷和1台科普载荷，主要有：地形地貌相机，用于获取着陆区高分辨率彩色图像；降落相机，用于着陆过程中获取着陆区地形地貌特征和图像；低频射电频谱仪，用于进行太阳爆发产生的低频电场探测和着陆区上空的月球电离层探测；德国基尔大学研制的月球中子及辐射剂量探测仪，用于测量能量中性粒子辐射和着陆器附近月壤中的相关物质含量；科普载荷用于进行生物科普试验。

巡视器（俗称月球车）上共携带4台有效载荷。主要有：全景相机，用于进行近距离景物 勘查，地形地貌分析，地质构造特征分析；红外成像光谱仪，用于进行巡视区月表矿物化学成分探测和分布研究；测月雷达，用于进行巡视路线上月壤厚度、结构探测和进行巡视路线上月壳浅层结构探测；瑞典空间物理所研制的中性原子探测仪，用于进行实地观测月表溅射能量中性原子通量和研究靠近月表的散射能量中性原子分布函数。

“通过这些探测器，一方面可以推动我国月球天文观测科学研究的不断深入；另一方面可以，推动月球资源的开发利用研究的深入。”嫦娥四号研发人员介绍说。

有三大技术难点

要完成这个“前无古人”的月球背面之旅，嫦娥四号面临主要三个主要技术难点：一是地月拉格朗日L2平动点轨道精确设计与控制；二是地月拉格朗日L2点远距离数据中继；三是复杂地形环境下的安全着陆等。突破这些技术难点，将实现三个国际首次、一个国内首次。即，国际上首次月球背面软着陆和巡视探测，国际上首次月球拉格朗日L2点中继与探测，国际上首次月基低频射点天文观测，国内首次实测月夜期间浅层月壤温度。这一重大科学创新工程的实施，无疑将推动航天技术和其他科学领域相关技术的持续发展。

深空测控通信系统是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键可贵等一系列原因，使得深空测控通信实现起来更为困难，无论对星上设备还是对地面设备等都带来新的挑战。通信方式不同是嫦娥四号与嫦娥三号相比最大的不同。嫦娥三号与地球的通信联络由地面站和海上远洋测量船来完成。而由于月球正面的遮挡，月球背面没有通信信号，无法与地球实施适时通信，因此，嫦娥四号与地面的通信联络要由“鹊桥”中继卫星担任，借助架设在地月拉格朗日L2点的中继卫星，实施与地面的通信信号“接力”。

2018年5月21日，第一次发射——嫦娥四号中继星“鹊桥”由长征四号丙运载火箭成功发射升空。经过1次中途修正，于5月25日到达近月点，在成功实施近月制动后，顺利进入月球至地月拉格朗日L2点的转移轨道。6月14日，“鹊桥”中继卫星实施轨道捕获，进入环绕距月球约6.5万千米的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道，成为世界首颗运行在地月拉格朗日L2点Halo轨道的卫星，在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试后，等待“嫦娥”的到来。

“鹊桥”中继卫星携带了一副展开后口径达近5米的伞状天线，在人类上天的深空探测器上，还没有这么大口径的通信天线，它直指地球在月球背面和地球之间架设了一个宏伟的信息高速桥梁。除了这副最大天线外，研制人员还给它配备了多副小一些的天线，通过这些天线，不仅可以将地面的测控指令说给巡视器听，还可以听清楚巡视器都“说了些啥”。

为迎接嫦娥四号的到来，2018年11月9日~11月23日，五院研制人员又对“鹊桥”中继星进行了一次在轨的“体检”。“体检”报告显示，“鹊桥”非常健康！中继星将在使命轨道上继续“遨游”，静待嫦娥四号探测器，届时，嫦娥四号将在数据中继卫星的引导下，安全着陆在月球背面南极冯·卡门撞击坑附近。

嫦娥四号首选着陆区为月球南极冯·卡门撞击坑的艾特肯盆地。“与嫦娥三号的虹湾着陆区相比，虹湾的整体趋势较为平坦，但艾特肯盆地的地形就比较崎岖，撞击坑大而且分布密集,这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了更高的要求。” 中国航天科技集团有限公司八院（上海航天技术研究院）嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花指出，“由于着陆区在月球背面，使得着陆器和巡视器无法同地球直接通信，必须用中继星中继的方式；同时在动力下降过程中，着陆器也不能对地直接通信，只能通过中继星进行上下行操作，这些都是此次任务的难点。”

此外，巡视器还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘的污染等问题。比如，月球的重力只有地球的1/6，我们要针对这种低重力环境，对巡视器的移动速度、距离、越障能力等状态和参数进行充分的应对。

张玉花介绍说，此次嫦娥四号八院承担了嫦娥四号着陆器、巡视器五个半分系统的研制任务，包括巡视器移动分系统、结构与机构分系统、测控数传分系统、电源分系统、综合电子分系统移动/机构控制与驱动组件、着陆器一次电源分系统。