探索月球背面的嫦娥四號

沈羨云

嫦娥三號在月球上順利完成任務后，不僅給科學研究帶來了很多成果，而且為它的妹妹—嫦娥四號的出發(fā)打下了很好的基礎(chǔ)。不過，遺憾的是姐妹倆不可能見面了，因為“妹妹”要著陸的地方是月球背面。

為什么要探測月球背面

說起嫦娥四號的任務，還有一番曲折的爭論。嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，由于嫦娥三號落月探測器出色地完成了預定任務，關(guān)于“嫦娥四號”是否要發(fā)射及其承擔的任務曾在較長一段時間內(nèi)不能確定，主要是因為有關(guān)專家意見不一致，為此論證甚至爭吵了兩年，分歧的核心在于嫦娥四號是落在月球正面還是背面？剛開始，很多專家認為嫦娥四號還是應該落到月球正面，這樣比較牢靠，技術(shù)風險小，不會節(jié)外生枝。但是，嫦娥系列月球探測器總指揮兼總設(shè)計師顧問葉培健院士主張落到月球背面。葉院士認為，落到月球背面，如果成功了是一大亮點；如果不成功，因為這是人類第一次，也可以原諒。先不要講什么科學意義、技術(shù)帶動，單從邏輯學上看，落到月球背面的科學意義就是一句話：背面沒去過！結(jié)果，葉院士的提議通過了，嫦娥四號要到月球背面探測。

嫦娥四號并不是一個很大、很復雜的月球探測器，而且還是個“備份”，可是其發(fā)射的意義是深遠的，如果發(fā)射成功，它將創(chuàng)造多個“首次”。

1.首次到達月球背面的探測器

由于月球的自轉(zhuǎn)周期與繞地球的公轉(zhuǎn)周期剛好相同，地球上的人永遠看不到月球的背面，很多科幻影片都把月球背面描述得格外神秘—那里充斥外星人、宇宙飛船、神秘基地、金字塔……而真實的月球背面到底有什么呢？沒有人知道。盡管過去60年內(nèi)，人類已經(jīng)發(fā)射了100多個月球探測器，其中有65個登陸月球，但只有不載人的環(huán)繞月球軌道器和載人的阿波羅號遠遠地看到過月球背面，并沒有一個探測器或人真正地到達月球背面進行探測。因此，嫦娥四號將是世界上第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。

嫦娥四號將首次為科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，有望獲得一批重大的原創(chuàng)性科學研究成果。

月球背面獨特的環(huán)境條件和復雜的地質(zhì)歷史，一直是學術(shù)界和工程界探測與研究的難點、熱點以及未來規(guī)劃開展探測的重點。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，開展對月球背面的著陸與巡視探測越來越受到航天大國的重視。目前美國國家航空航天局和歐洲空間局都已制訂了未來月球背面的探測計劃，特別是歐洲空間局提出了系統(tǒng)的月球背面探測任務建議書，并計劃于2025年實施該計劃的發(fā)射任務?？上驳氖沁@個想法很快就會被中國的嫦娥四號實現(xiàn)，中國在這方面將居于世界領(lǐng)先地位。

2.首次發(fā)射月球探測中繼衛(wèi)星

由于受到月球自身的遮擋，著陸在月球背面的探測器無法直接實現(xiàn)與地球的測控通信和數(shù)據(jù)傳輸。嫦娥四號的“鵲橋”中繼星將成為架設(shè)在嫦娥四號著陸器和巡視器與地球間的“通信站”，搭建地月信息聯(lián)通的“天橋”?，F(xiàn)在，“鵲橋”中繼星已經(jīng)順利到達預定點，等待著嫦娥四號的到來。它是世界首顆運行在地月L（拉格朗日）2點Halo使命軌道的衛(wèi)星，可為嫦娥四號月球探測器提供地月中繼測控通信。同時，中繼衛(wèi)星上還將攜帶一些實驗載荷，開展科學探測和新技術(shù)實驗。

3.首次在月球上開展月面生態(tài)系統(tǒng)研究

在嫦娥四號的落月探測器上還搭載著一個“月面微型生態(tài)圈”。在這個小罐子里放置了兩種種子、蠶卵、土壤、水、營養(yǎng)液和空氣以及微型相機和信息傳輸系統(tǒng)等科研設(shè)備，可進行史無前例的月面生態(tài)系統(tǒng)研究。

4.探月工程首次向社會資本開放

此次探月工程向社會資本開放，鼓勵社會資本、企業(yè)參與。據(jù)介紹，嫦娥四號將作為開發(fā)平臺、驗證平臺、應用平臺，為社會資本提供技術(shù)驗證、產(chǎn)品搭載、數(shù)據(jù)應用等條件。探月工程三期總設(shè)計師胡浩表示，以嫦娥四號為試點，探索引入社會資本的新模式，對于打破航天工業(yè)壁壘、加速航天技術(shù)創(chuàng)新、有效降低工程成本、提高投資效益等具有積極作用和深遠影響。在選擇嫦娥四號中繼星的整星方案和研制定點單位時，邀請了高校、科研院所、企業(yè)等多方單位參與競爭擇優(yōu)，這在深空探測領(lǐng)域尚屬首次。

為了激發(fā)普通民眾特別是青少年的探索熱情，嫦娥四號預留了3千克載荷在全國范圍內(nèi)征集大膽創(chuàng)意?，F(xiàn)已在全國征集的290多項方案中選擇了20項優(yōu)秀項目，其中有很多中學生和大學生項目，最后評選出了3個一等獎，然后從這3個項目中選出一個項目搭載在嫦娥四號上，以便起到很好的宣傳效果。

那么，探索月球背面究竟有什么意義？月球是一個整體，月球的正面和背面在地質(zhì)結(jié)構(gòu)上有很大差別。因此在研究月球時，不但要研究月球的正面，還要研究其背面。

這次任務是人類第一次向月球背面未知區(qū)域的探索。它的著陸點是月球南半球的一個巨大隕石坑—艾特肯盆地，位于月球南極。這個直徑2500千米、深達13千米的大坑，是月球最大的隕石坑，在整個太陽系也名列前茅。艾特肯盆地吸引科學家的不只是它的尺寸，更有魅力的是近年來發(fā)現(xiàn)這片區(qū)域有大量冰。據(jù)科學家分析，這些冰可能是彗星或小行星撞擊的殘留，在永久的黑暗中得以幸存。由于沒有陽光的直接照射，這些冰并沒有發(fā)生升華或離解。自20世紀60年代以來，人類已經(jīng)從月球軌道對這片冰進行了多次探測，包括：阿波羅15、16、17，月球勘測軌道飛行器（LRO）以及印度的月船一號繞月飛行器。月船一號還用撞月探測器（MIP）撞擊這里，并通過軌道飛行器分析揚起的物質(zhì)。嫦娥四號探測衛(wèi)星將到達月球的南極，尋找月球水源。到那時將會對月球上是否有生命和水這個問題給出答案。關(guān)于月球的種種謎團，或?qū)⒂写鸢?。同時，南極艾特肯盆地將是月球基地的理想選址。這次嫦娥四號將進一步確認人類在這里生存并工作的可能性。

其次，月球正面和背面的電磁環(huán)境也存在很大不同，月球背面的電磁環(huán)境非常干凈，是天文學家夢寐以求的理想場所，在這里可以開展空間科學領(lǐng)域最前沿的低頻射電天文觀測。受地球大氣成分影響，低頻射電研究一直都存在空白。如果能夠在月球背面放一個低頻射電頻譜儀，將填補空白，推動科學界取得更大的進展。

此外，利用月球背面保存的最古老月殼巖石的獨特條件可以開展地質(zhì)特征調(diào)查，有望在國際上首次建立集地形地貌、淺層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分于一體的綜合地質(zhì)剖面和演化模型，獲得對月球早期演化歷史的新認知。把月球研究好了，對研究整個地球未來的演化、全球溫室效應、氣候變化等都會有很好的幫助。

“嫦娥四號”將進行哪些科學研究

嫦娥四號的基本架構(gòu)繼承了嫦娥三號的著陸器和月球車，但科學載荷會有很大的變化。與嫦娥三號類似，嫦娥四號的著陸器上仍裝有降落相機、地形地貌相機，并增加了國內(nèi)新研發(fā)的低頻射電頻譜儀，以及德國的中子與輻射劑量探測儀，去掉了月基光學望遠鏡、極紫外相機。低頻射電頻譜儀將利用月球背面沒有地球電磁波干擾和天然潔凈的環(huán)境，研究太陽爆發(fā)、著陸區(qū)上空的月球空間環(huán)境，還可以對來自太陽系行星的低頻射電場進行觀測，并“聆聽”來自宇宙更深處的“聲音”。德國的中子與輻射劑量探測儀能探測著陸區(qū)的輻射劑量，評估未來載人登月航天員的危險度，提供相應輻射防護的依據(jù)。嫦娥四號的月球車上仍裝有全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀，同時增加了瑞典的中性原子探測儀，去掉了粒子激發(fā)X射線譜儀。瑞典的中性原子探測儀對于解決太陽風與月表相互作用機制、月表逃逸層的形成和維持機制等關(guān)鍵科學問題有著重要的意義。

要實現(xiàn)嫦娥四號任務的工程目標，需突破4項關(guān)鍵技術(shù)，包括在復雜地形環(huán)境條件下的安全著陸、地月L2點軌道設(shè)計與控制、地月L2點遠距離中繼通信，以及同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用。

嫦娥四號的三大科學研究是：①對月球背面的環(huán)境進行研究；②對月球背面的表面、淺深層、深層進行研究；③最大的特色是在月球背面不受太陽的影響，在月球背面和中繼星上分別裝上低頻射電探測儀，進行有關(guān)的研究。

如果嫦娥四號進展順利，中國還將發(fā)射更多的無人探測器，并在15年內(nèi)實現(xiàn)載人登月。

嫦娥未動“鵲橋”先行

為何嫦娥未動，“鵲橋”先行呢？這與嫦娥四號的任務有關(guān)。嫦娥四號是世界上第一個在月球背面軟著陸的航天器。月球背面有很多的環(huán)境和條件是未知的，地形也非常復雜，嫦娥四號要實現(xiàn)在月球背面著陸并將月球探測的信息傳到地面，有一個特殊的難題—通信。由于月球?qū)νㄐ判盘柕淖钃酰瑥牡孛嫔虾茈y指揮月球背面探測器的工作。為此，中國還要向月球背面和地球同時可見的地月L2點發(fā)射一顆名叫“鵲橋”的中繼衛(wèi)星，來執(zhí)行測控、數(shù)傳中繼任務?！谤o橋”架設(shè)在這個軌道上，既能“看見”地球，又能“看見”月球，可以同時與地球和月球背面進行信息和數(shù)據(jù)交換。它距離月球6.5萬千米，距離地球44.9萬千米，這是人類首次在此地搭建對月中繼通信的衛(wèi)星。

為什么要選擇L2點？這是因為L2點是地月系統(tǒng)引力平衡點之一，始終可以同時見到月球背面和地球?！谤o橋”在L2點能夠相對穩(wěn)定地開展工作，這個點可以進行對月球的背面和對地通信，及進行其他一些探測工作，其中包括對月球的探測和對深空的一些探測工作。

“鵲橋”除了執(zhí)行測控、數(shù)傳中繼任務外，也擔負著重要的科研任務。在它上面搭載了兩臺國際合作載荷—荷蘭研制的低頻射電探測儀和沙特研制的月球小型光學成像探測儀，可進行有關(guān)的研究。例如，荷蘭的低頻射電探測儀將與位于地球上荷蘭境內(nèi)的LOFAR低頻天文陣列等地面天文觀測設(shè)施聯(lián)合，首次開展43萬～46萬千米基線的地月空間VLBI（甚長基線干涉測量，該技術(shù)是把幾個小望遠鏡聯(lián)合起來，達到一架大型望遠鏡的觀測效果）射電干涉測量實驗，還將與嫦娥四號著陸器上中方研制的低頻射電頻譜儀之間形成干涉測量，有望對來自宇宙黑暗時期和黎明時期的21厘米氫譜線輻射進行探測，研究在宇宙大爆炸后的幾千萬年到一兩億年間，宇宙如何擺脫黑暗，點亮了第一顆恒星。

要探月背，中繼先行。2018年5月21日凌晨5時，一條火龍劃破了西昌寧靜的天空，一枚長征四號丙運載火箭攜帶中繼衛(wèi)星“鵲橋”升空，25分鐘后，火箭將“鵲橋”送入地月轉(zhuǎn)移軌道后與衛(wèi)星分離，“鵲橋”開始奔赴月球方向的地月L2點，為年底即將發(fā)射的嫦娥四號保駕護航。

經(jīng)過20多天的精確飛行，承擔嫦娥四號中繼通信任務的“鵲橋”不畏宇宙射線、太空碎片的襲擾，跨越40多萬千米于6月14日成功抵達繞地月L2點的Halo軌道，正式進入預定位置。隨后“鵲橋”開始積極“備戰(zhàn)”，為即將到來的嫦娥四號月球探測器打好前站、掃清障礙，搭建一條連接地球和月球信息的“生命線”。至此，20世紀50年代國際航天界提出的中繼星Halo軌道的概念，被中國航天人變?yōu)楝F(xiàn)實。

“鵲橋”在這個軌道上運行時就像調(diào)皮的孩子，只要有一段時間不關(guān)注就會“離家出走”，甚至不知所蹤。為了完成嫦娥四號探測器與地面測控站之間的數(shù)據(jù)中繼，需要中繼衛(wèi)星時刻保持高穩(wěn)定、高精度的姿態(tài)和角度，否則就會影響信息的傳輸，甚至影響嫦娥四號任務的完成。

為了讓“鵲橋”在它的位置上老老實實地待著，順利完成任務，中國的航天人采用了很多方法。專家們把提升航天器自主控制的智能化水平、精準化程度放在首位，在軌道控制策略上設(shè)計了速度增量關(guān)機和時間關(guān)機兩種模式，對軌控關(guān)機前的發(fā)動機脈寬進行了精確設(shè)計。此外，他們專門為“鵲橋”量身定制了具有高智能化水平、全天候、全天時、全空域運行能力的光纖陀螺慣性測量單元，徹底擺脫了之前姿態(tài)敏感器需要借助地球、太陽等天體來定位的束縛。為了防止信號中斷、信息傳送不準確，專家們?yōu)椤谤o橋” 配了多部“手機”。地面工作人員可以同時給這幾部“手機”打電話，發(fā)出相同的遙測指令，規(guī)避因為距離遠或其他未知因素造成的信號中斷、信息傳送不準確等問題。此外，“鵲橋”裝備的S頻段數(shù)字化深空應答機是我國首臺數(shù)字化深空應答機，不僅具有對錯誤數(shù)據(jù)自我修正的功能，而且具有強大的靈敏度和信號捕獲能力，為航天器穩(wěn)定運行再上一道“安全鎖”。同時，“鵲橋”裝備的4.2米口徑的高增益?zhèn)銧顠佄锩嫣炀€，是人類深空探測任務史上口徑最大的通信天線，可以實現(xiàn)對地、對月、對日和對慣性空間任意目標指向與跟蹤的三軸穩(wěn)定控制，將為“嫦娥四號”著陸器、巡視器與地面站之間的測控與數(shù)據(jù)傳輸提供有力支撐。

月面微型生態(tài)圈

電影《火星救援》描述了主人公試圖在火星上種植馬鈴薯的情節(jié)?，F(xiàn)在，這一愿景有望被中國率先完成?！霸旅嫖⑿蜕鷳B(tài)圈”將作為一位特殊的乘客搭乘“嫦娥四號”登陸月球表面，實現(xiàn)人類首次在月球表面開展生物學實驗的創(chuàng)舉?！霸旅嫖⑿蜕鷳B(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，表面貼有我國國旗以及重慶大學和研究中心的標志。整個“罐子”僅重3千克，但是它的成本造價在千萬元以上，里面的相機就高達60萬元。在這個鋁合金容器里，將放置馬鈴薯種子、擬南芥種子、蠶卵、土壤、水、空氣以及照相機和信息傳輸系統(tǒng)等科研設(shè)備。兩種植物將在100天的實驗期限內(nèi)生根發(fā)芽，開出月球表面的第一朵花。蠶也將完成蟲卵孵化、幼蟲生長發(fā)育和破繭成蝶的完整生命周期。這項生物實驗將通過小型照相機向全球直播。

為什么在這次實驗中，地面科學家們挑選了馬鈴薯、擬南芥及桑蠶卵3種生物作為實驗對象呢？其原因是：

1.此次月面生物實驗的目標是在月球表面實現(xiàn)動植物的一個生命周期。根據(jù)100天的實驗期限，科學家選定了馬鈴薯、擬南芥和蠶。

2.從生物自身的條件來考慮，選擇的生物要相對能耐高溫和低溫，生長周期也不能很長。經(jīng)過實驗，這3種動植物都是比較符合條件的。

3.選擇馬鈴薯也是為人類下一步的太空生存提供支持，目前國際上很多國家和研究機構(gòu)都將馬鈴薯作為人類在太空生存的主要食物。

4.在動植物的選擇上也會選擇貼近普通人的生活、符合中國的文化傳統(tǒng)，馬鈴薯是再常見不過的食物，蠶寶寶比較可愛，生長周期中也有破繭成蝶這一步驟，有比較好的寓意，象征著中國在空間探索的進步與創(chuàng)新。

雖然這是一個小小的、科普性質(zhì)的實驗，但是要在月球上進行這項實驗，還要克服種種困難。月球的環(huán)境十分惡劣，在月球上是連續(xù)14天白晝再轉(zhuǎn)換為連續(xù)14天的黑夜，高溫能達到100多攝氏度，低溫又降到零下100多攝氏度。另外，月球上的紫外線沒有經(jīng)過過濾，動植物的生存需要面臨高輻射、微重力等惡劣環(huán)境。這跟地球上的生存環(huán)境差距太大，這些都是要克服的難題。

科學家們通過各種技術(shù)，使“月面微型生態(tài)圈”的內(nèi)環(huán)境完全適合生物生長：在真空、微重力、極端溫差的外界條件下，“月面微型生態(tài)圈”內(nèi)將保持1～30℃的溫度以及適當?shù)臐穸?；裝置里帶有水和配備好的營養(yǎng)液，可供植物生長用；通過光導管引入月球表面自然光線，創(chuàng)造植物生長環(huán)境； 植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，供蠶“消費”，蠶生長過程則產(chǎn)生出植物所需的二氧化碳和糞便等養(yǎng)料，在“月面微型生態(tài)圈”登月的100天里，它將實現(xiàn)微型生態(tài)循環(huán)。

如果植物種子能在這個環(huán)境下發(fā)芽、生長、開花，蠶卵能正常孵化、幼蟲成長發(fā)育、破繭成蝶，在一定程度上說明人類在月球居住不是夢想。如果實驗成功，它將為人類開展地外星球生存提供技術(shù)保障和奠定基礎(chǔ)。

我國的這次探索是人類首次在月面進行生物實驗，與美國、俄羅斯等國家相比，都是領(lǐng)先的。這次探索將證明，在眾多國家中，我國的空間探索正由之前的跟隨轉(zhuǎn)換為領(lǐng)先、領(lǐng)跑。