嫦娥四號著陸器地形地貌相機環(huán)拍全景圖（圓柱投影）
嫦娥四號探測器在月背軟著陸后降落相機拍攝的圖像
嫦娥四號著陸器拍攝的著陸點南側月球背面圖像，巡視器將朝此方向駛向月球表面。
2019年1月3日 10：26，嫦娥四號成功著陸于月球背面177.6° E、45.5° S附近的預選著陸區(qū)——月球南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin）內的馮·卡門撞擊坑（Von Karman Crater），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，成為世界第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，實現首次月背與地球的數據中繼通信。
兩器分離后，月兔二號在月背留下了人類航天器第一行“腳印”。
長征三號乙運載火箭發(fā)射嫦娥四號落月探測器
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月球背面的深度誘惑
嫦娥四號著陸器地形地貌相機環(huán)拍全景圖（方位投影）
為何要把嫦娥四號落到月球背面進行探測呢？為什么目前全球已進行過約130多次探月活動，包括用探測器撞擊過月球背面，但是從來沒有一個探測器在月球背面進行軟著陸呢？這要從月球的特性講起。
玉兔二號巡視器全景相機對嫦娥四號著陸器成像
月陸居多 信息古老
通過已發(fā)射的大量繞月探測器人類了解到，月球背面與正面存在很大差異。從整體上講，月球表面可分為月海和月陸兩大地理單元。月海主要是玄武巖，月陸主要是斜長巖。月球上共有22個月海，其中19個分布在月球的正面，月球背面只有東海、莫斯科海和智海3個月海。月球上顏色較淺的部分類似地球上的“陸地”，稱為月陸，月陸比月海更古老，保留著更為原始的狀態(tài)。月球背面顏色較亮，月陸居多，撞擊坑分布密度也比正面高，地形更崎嶇，其斜長巖高地可能形成于月球巖漿洋的分異結晶，這是月球形成的兩大學說之一。對其開展形貌、物質組成、月壤和月表淺層結構的就位綜合探測，有望獲得月球最古老月殼的物質組成、斜長巖高地的月壤厚度等重要成果。
嫦娥四號著陸器地形地貌相機對玉兔二號巡視器成像
痕跡缺失 據月測地
月球正面（左圖）與背面對比圖，正面的月海平原顏色較深，地形比較平滑；而月球背面以月陸為主，地形崎嶇，南部有一個巨大的撞擊盆地。
因為月球背面具有不同于月球正面的地質構造，多“山”多“谷”，所以對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。地球上經歷了多次滄海桑田，早期地質歷史的痕跡早已消失殆盡，只能寄望于從月球上仍保存完好的地質記錄中挖掘地球的早期歷史。因此，探測月球背面，既可促進對月球早期演化歷史的新認知，對研究地球的早期歷史也有重要價值。
月背“觀”天 安全寧靜
由于地球潮汐鎖定、月球的自轉與公轉周期相同以及天平動的作用等原因，在地球上永遠看不到月球的背面，只有約59%的月面能被地球觀測到，也就是說，月球背面41%的地方始終受月球阻擋。所以對天文學研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠天體發(fā)出的射電輻射是研究天體的重要手段，稱為射電觀測。由于這些天體的距離遙遠，電磁信號十分微弱，在地球上，日常生產生活的電磁環(huán)境會對射電天文觀測產生顯著干擾，因此天文學家一直希望找到一片完全寧靜的地區(qū)，監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱電磁信號。月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號，因而在那里能監(jiān)測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號，研究恒星起源和星云演化等，有望取得重大天文學成果。
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精挑細選的著陸點
遵循工程技術上可行、科學上有特色的原則，嫦娥四號的著陸區(qū)選在月球背面南極–艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內，這是因為該撞擊坑具有較高的科學探測價值，且地勢較為平坦，可以同時滿足科學和工程上的要求。對該撞擊坑的著陸和探測，能夠揭示月球形成和演化的一些關鍵問題，在月球科學研究中具有劃時代的意義。嫦娥四號將分析該地區(qū)的地表特征和地下構造，為了解月球、地球、太陽系演化提供第一手線索。
南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑
月球背面的南極-艾特肯盆地是太陽系內已知最大、最深的盆地，也是個古老的區(qū)域，保存了原始月殼的巖石。其直徑2500千米，最深處約為13千米，從坑底最深處到最高壁頂處落差大約16千米，含有許多月球初始的信息，保存著太陽系形成之初的寶貴信息。對其進行勘測有助于解答與月球有關的一系列重要疑問，有助于研究月球45億年的漫長歷史，有助于更好地理解組成月球的巖層，包括內部結構、成分和熱演化，有可能揭開“39億年撞擊峰值”的科學之謎。
月球背面著陸地點，大紅圈為南極-艾特肯盆地，小紅圈為馮·卡門撞擊坑。
人類從未勘探過的馮·卡門撞擊坑位于南極-艾特肯盆地中部，直徑約186千米，具有月球最古老的撞擊特征。馮·卡門撞擊坑的特點：地勢比較平坦，適合探測器著落，即所謂的坑大峰小；年齡古老，距今40億年以上，后期可挖掘出月球雨海紀（月球雨海紀的年齡約為39.2億年，是大型撞擊形成大量月海時期）玄武巖樣本；坑在形成之前已經存在一個更大的撞擊坑，其表層或者淺表月壤中很可能有早期撞擊暴露出的深層月幔物質，坑底有復雜的巖漿活動，多個證據顯示雨海紀時馮·卡門坑存在重復撞擊、月殼多次熔融，形成了今天我們看到的玄武巖層。綜合多個因素，登陸馮·卡門坑的科學意義重大，未來獲得的發(fā)現成果也值得期待。
另外，南極-艾特肯盆地的緯度和嫦娥三號在月球正面落月的緯度基本相同，在這里著陸，既能確保探測器獲得足夠的能源，又可避免月晝帶來的高溫影響。
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含金量高的工程及科學目標
工程目標主要有兩個：
研制、發(fā)射月球中繼通信衛(wèi)星，實現國際首次地月L2點的測控及中繼通信；
研制、發(fā)射月球著陸器和巡視器，實現國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。
科學目標主要有三個：
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構探測與研究；
試驗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。
試驗中的玉兔二號月球車
玉兔二號月球車側視圖
在人類歷史上首次利用月球背面潔凈的電磁環(huán)境進行月基低頻射電天文觀測是嫦娥四號探測任務的最大亮點。由于受到地球電離層的干擾，在地球上難以開展頻率低于10兆赫的射電天文觀測，在地球軌道甚至月球正面開展的空間射電天文觀測也受到地球電離層反射和 人工無線電的干擾。月球背面被認為是開展低頻射電天文觀測的絕佳地點，它屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發(fā)射，月夜期間還屏蔽強烈的太陽射電輻射。利用月球背面獨特的無線電環(huán)境，能開展的觀測與研究包括太陽低頻射電和月表射電環(huán)境探測。
玉兔二號月球車俯視圖
因此，分別在嫦娥四號著陸器和“鵲橋”中繼星上新增配置了國內新研制的低頻射電頻譜儀及荷蘭的低頻射電探測儀，用于開展頻率范圍在10兆赫附近的低頻射電天文觀測，填補人類在0.1～40兆赫射電天文觀測的空白，有望在太陽風激波、日冕物質拋射和高能電子束的產生機理等方面取得原創(chuàng)性的成果。
嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車及“鵲橋”中繼星工作示意圖。
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精準落月，技術護航
嫦娥四號的著陸方式與工作狀態(tài)跟嫦娥三號有很大區(qū)別，性能上有很大提升，這是因為嫦娥三號著陸區(qū)地形起伏僅800米，相當于在華北平原著陸，而嫦娥四號著陸區(qū)地形起伏達到6000米，相當于在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸。
月球正面有較為寬闊的平原，雖然也有許多隕石坑，但即使是坑底也相對平整，所以嫦娥三號是以弧形軌跡緩慢著陸。
月球背面地形相比正面更加復雜，著陸區(qū)相當于嫦娥三號著陸區(qū)的1/8，隕石坑更多，大坑套小坑，地勢更陡峭，山峰林立，很難找出再大一些、平坦一些的地方供嫦娥四號安身。由于嫦娥四號要在凸凹不平的地方軟著陸，所以需要具有比嫦娥三號更準確的著陸精度。嫦娥四號落區(qū)有海拔10千米高的山，為了不撞到峭壁，嫦娥四號需具備很高的自主導航和避障功能，以便自主尋找地勢相對平坦的地區(qū)進行著陸，并只能采取近乎垂直的著陸方式，而且著陸時間短，航程短，風險高。
著陸區(qū)變化對任務的影響主要有：動力下降航跡的高程差變大，GNC(制導、導航與控制系統(tǒng))需優(yōu)化動力下降策略；著陸區(qū)范圍縮小，探測器應具備高精度著陸控制策略；可能存在地形對通信和光照的遮擋，探測器需具備更強的自主功能。另外，嫦娥四號與地面交流需要通過“鵲橋”中繼星中轉，其間會產生約60秒的延時，這對于瞬息萬變的降落過程顯然太久，因此落月全程需要由它自主完成。
嫦娥三號在長月夜－180℃的環(huán)境中是不能工作的，而嫦娥四號將采取新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術，以保證其度過寒冷漫長的月夜及正常開展探測工作，在國內首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。
嫦娥四號的玉兔二號月球車雖與嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車外形和重量一樣，是全球目前重量最小的月球車，但由于要首次在月球背面軟著陸和巡視，因此針對月球背面復雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學目標的實際需要等因素，對玉兔二號月球車進行了適應性更改和有效載荷配置調整，在運動安全、能源供給、科學探測和測控通信等方面均做了特殊的設計。尤其在線路方面進行了設計改進和試驗驗證，使它更強大，既不怕極熱極冷的“廣寒宮”，又能完成更多新任務。
此外，嫦娥四號玉兔二號月球車還吸收了嫦娥三號玉兔號的經驗。針對玉兔號在執(zhí)行任務過程中遇到的一些問題，有針對性地進行了電纜設計與材料應用等技術的改進和試驗。玉兔二號月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗，同時也盡量減少電纜裸露在外的面積，減少電纜的故障風險。
總之，要實現嫦娥四號任務的工程目標，需突破四項關鍵技術：
一是復雜地形環(huán)境條件下的安全著陸，二是地月L2點暈軌道設計與控制，三是地月L2點遠距離中繼通信，四是同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用。
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微型生態(tài)圈的第一株綠芽
月面微型生態(tài)圈結構
雖然月球背面被形象地稱為“暗面”，但月球背面和正面所受到的太陽光照幾乎是相等的。在真空、低重力、極端溫差的外界條件下，植物可否生根、發(fā)芽、開花？嫦娥四號著陸器上搭載了一個科普載荷——月面微型生態(tài)圈。月面微型生態(tài)圈是一個由特殊鋁合金材料制成的圓 柱形罐子，高18厘米，直徑16厘米，凈容積約0.8升，總重量3千克。這個小罐子里放置 了棉花、油菜、馬鈴薯、擬南芥、酵母、果蠅、土壤、水、營養(yǎng)液、空氣以及微型相機和信息傳輸系統(tǒng)等科研設備，構成了簡單生態(tài)系統(tǒng)，可驗證在月面太陽自然光照條件下植物的光合作用原理，觀測月面低重力條件下動植物的生長狀況，積累構建太空生命保障系統(tǒng)的技術與經驗，并向公眾普及生物學知識。據國家航天局探月與航天工程中心消息，嫦娥四號任務搭載的生物科普載荷試驗已經結束，從拍攝的圖片觀察，棉花的種子有發(fā)芽的跡象。目前，巡視器已進入月夜休眠狀態(tài)，搭載的科普試驗生物將在全封閉狀態(tài)的生物科普試驗載荷罐中慢慢分解，不會對月球環(huán)境造成影響。棉花種子的發(fā)芽，驗證了人類是能夠在荒蕪的月球表面培養(yǎng)植物并生長出第一片綠葉。這次的試驗，通過研究生物在月球低重力、強輻射、自然光照條件下的生長發(fā)育狀態(tài)，可以為人類今后建立月球基地提供研究基礎和經驗。
嫦娥四號上搭載的生物科普試驗載荷發(fā)布的最新試驗照片，顯示棉花種子已經長出了嫩芽，這也標志著嫦娥四號完成了人類在月面進行的首次生物實驗。
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舉世矚目的三大壯舉
嫦娥四號任務的“兩器一星”上共配置了6臺國內研制的科學載荷和3臺國際科學載荷。它們開展以低頻射電天文觀測、巡視區(qū)形貌、礦物組份及淺層結構為主的科學探測。
嫦娥四號在月球背面的著陸點附近開展低頻射電天文觀測和月表形貌、礦物組成、化學成分、淺層結構、中子及輻射劑量和能量中性原子探測，有望填補0.1～40兆赫頻段射電天文觀測的空白，取得對月球早期演化歷史的新認識。繼續(xù)更深層次、更加全面地科學探測月球地質、資源等方面的信息，完善月球的檔案資料，有望取得行星際激波、日冕物質拋射和空間傳播機理等方面原創(chuàng)性成果。
嫦娥四號著陸器、玉兔二號月球車與“鵲橋”中繼星示意圖
嫦娥四號任務特點鮮明，預期成果顯著，將是一次低成本、短周期、大開放、高效益的示范性空間探測任務，實現三大“壯舉”：首次實現人類探測器造訪月球背面；首次實現人類航天器在地月L2點對地月中繼通信；為科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，獲得一批重大的原創(chuàng)性科學研究成果。
例如，利用月球背面屏蔽地球無線電干擾的獨特條件開展的空間科學領域最前沿的低頻射電天文觀測，填補國際空白。利用月球背面保存的最古老月殼巖石的獨特條件開展的地質特征調查，有望在國際上首次建立集地形地貌、淺層結構、物質成分于一體的綜合地質剖面和演化模型，獲得對月球早期演化歷史的新認知。
嫦娥四號任務完成后，我國將在2019年執(zhí)行探月三期任務，發(fā)射嫦娥五號采樣返回器，它由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。
嫦娥四號是我國探月工程四期的第一個任務，此后實施的嫦娥六號計劃在月球南極進行采樣返回任務，不過具體在月球背面還是正面，還要根據嫦娥五號的采樣情況來確定。嫦娥七號同樣將在月球南極著陸，計劃對月球的地形地貌、物質成分、空間環(huán)境進行一次綜合探測。而嫦娥八號除了繼續(xù)進行科學探測試驗以外，還要進行一些關鍵技術的月面試驗，比如驗證“在月球3D打印房子”的部分技術，為的是論證一個科幻的問題——要不要在月球建立一個科研基地或科研站？
責任編輯 張恩紅
