“嫦娥四号”：在月球背面与你相见

从“嫦娥一号”到“嫦娥六号”，“绕”“落”“回”小三步完成得差不多了，“载人登月”就会提上中国航天日程，并在21世纪30年代得以实现。

2019年1月3日，“嫦娥四号”登上了月球背面，地点是南极－艾特肯盆地（South Pole﹣Aitken basin）里的冯·卡门环形山。

这是人类探测器第一次在月球背面软着陆。1959年，苏联的“月球3号”探测器让人们远远窥见了月球背面的样子。1968年，美国“阿波罗8号”宇航员，第一次用肉眼看到了它。

△嫦娥四号传回的首张近距离月球背面照     图片来源:人民日报

作为普通人，虽然可以在任天堂发行的游戏《超级马里奥：奥德赛》中，穿上宇航服，在所谓“月之暗面”的关卡里游览个痛快，但所见终究不如现实里那么“货真价实”。

艾特肯盆地是太阳系内已知第二大的环形山，直径超过2500公里。科学家们在20世纪90年代就希望一睹其芳容，那里的岩石可能有40亿年的历史，还含有相当含量的氦-3与液态冰（一种特殊的冰水混合物）。

2018年2月，印度宣称“月船2号”将探测这一地区。这里也是美国宇航局早就希望“落脚”并派遣机器人取回岩石样本的地方。不过，最终还是中国的月亮女神“嫦娥”先行一步。

01

月球背面

在地球上，月球背面是无法观测的“盲区”。所以，关于它的阴谋论极其流行。

比如电影《变形金刚3：月黑之时》就篡改了“阿波罗11号”的登月历史。影片中，美国前总统肯尼迪在“阿波罗11号”登陆前，提醒宇航员注意外星人的行踪。果然，宇航员们在月球上发现了飞船“方舟”和年迈的汽车人“御天敌”。

突然，全球直播的登月实况中断几十分钟。肯尼迪命令阿姆斯特朗不遗余力地跑向月球背面，从那里带回变形金刚的核心科技—当个故事听听就好了。

月球本身是浑然一体的，之所以从地球上看有正面、背面之分，是因为月球不仅绕着地球公转，也绕着自身的轴自转，而它的自转速度恰好与绕地球公转所需的时间相等—这个原理也被称为“潮汐锁定”，大的天体对小的天体形成潮汐力，使小天体一直以同一面“示人”。

如果有一天人们站在火星上，也会发现火星的卫星—火卫一、火卫二，同样有着“潮汐锁定”现象。

换句话说，月球的公转周期和自转周期为1:1，因此在地球上的人看来，月球总是露出它的正面。而由于轨道面交角造成月球“晃动”的现象，这个月球正面的范围比背面要大一些，约占月球表面积的59%。

其实，月球背面并不等于“月之暗面”，它同样能接受太阳光照，只是由于背面不朝向地球，无法将阳光反射到地球罢了。

值得注意的是，“嫦娥三号”“嫦娥四号”探索的都是月球的高纬地区，例如前者着陆在北纬44.1°、西经19.5°的虹湾区域。过去，美国和苏联都向月球发射过很多探测器，不过范围大多局限在赤道两侧27°以内的带状地区，包括宇航员的活动范围也处于低纬度。

降落在低纬度，通常有几方面考虑：首先，月球赤道附近光照理想（月球赤道面与黄道面的交角仅有1.54°），光学设备能清晰勘探，太阳能电池也能更好地工作。其次，像“阿波罗”系列飞船载人的话，需要返回地球，那么从月球低纬度升空，便于利用赤道附近较大的线速度，节省燃料。

再次，从近地轨道一路辗转而来的探测器或载人飞船，如果进入与月球绕地轨道基本“共面”的近月下降轨道，再“就近”降落在月球赤道附近（月球绕地轨道和月球赤道面交角小于7°），可免去向高纬度大幅变轨的折腾。

冯·卡门环形山的坐标是南纬45.5°、东经177.6°，该地不易着陆，在太阳能供应上也相对受限。显然，“嫦娥四号”是在迎难而上。

02

“玉兔，咱家里来人了！”

“嫦娥四号”其实是个“备胎”。它原本的命运是，做“嫦娥三号”的备份探测器。不过，2013年“嫦娥三号”圆满完成了任务，着陆在月球正面的虹湾，还留下了令人魂牵梦萦的月球车“玉兔”。这样，“嫦娥四号”又有了新使命。

它包含了着陆器和漫游车。着陆器重1.2吨，漫游车重140千克。着陆器有放射性同位素热电机，可以在3个月的任务期限里，为搭载的科学仪器供电。

漫游车才是探索月球背面的主角，而且，经过将近45万中国公民的投票，它的名字叫“玉兔二号”，以此来纪念它的弟弟或妹妹—在月球孤独工作了972天后停摆的“玉兔”。

“玉兔二号”和着陆器分离后不久，着陆器上的监控摄像头拍摄它的 “足迹”照片，即通过“鹊桥”中继星传回了地球。之后为了迎接月昼高温的挑战，“玉兔二号”计划先休眠一段时间，再被唤醒。

从“玉兔二号”的“配置”来看，有太阳能电池板，有挖掘和分析土壤样本的工具，搭载了全景摄像机来拍摄月球表面的三维图像，还搭载了探测雷达、可见光和近红外成像光谱仪，来探测月球背面的地形和矿物组成成分。

△玉兔二号

它还带了一个3千克的密封容器，里面装了马铃薯、拟南芥种子和蚕卵，以便测试植物和昆虫能否在月球共生。蚕卵一旦孵化，幼虫会产生二氧化碳，而萌发的植物会通过光合作用释放氧气，有望在容器内共建一个微型的生态系统。

这一实验由28所中国大学设计。1982年的时候，苏联“礼炮七号”空间站就种了一些拟南芥，它们在太空开花、死亡，寿命为40天。

据悉，“玉兔二号”将陪伴“玉兔”，永远留在月球表面。不过，它们很快就能等来“能回家”的“玉兔三号”。

03

“嫦娥工程”小三步

由中国国家航天局主导、2003年启动的“嫦娥工程”，分“大三步”和“小三步”。

“大三步”是“探”“登”“驻”—无人探月、载人登月、长久驻月。其中“探”分为“小三步”，即“绕”“落”“回”。

“嫦娥一号”和“嫦娥二号”做的是“绕”，2007年启动，作为月球轨道器，在距离月球表面约2000公里的高度绕月飞行，进行全球探测。

“嫦娥三号”和“嫦娥四号”做的是“落”，2013年启动，发射月球着陆器，落到月球表面，释放一个月球车，在着陆区进行详细探测。

“嫦娥五号”“嫦娥六号”，则会发射月球自动采样返回器，它降落到月球表面采集样本后，其中的返回器还会回到地球。这就是“回”。1970年的苏联“月球-16”探测器最早做到了这一点。目前，“嫦娥五号”预定在2019年12月前后发射，“嫦娥六号”预定在2024年发射。

等这“小三步”完成得差不多了，“载人登月”就会提上中国航天日程，并在21世纪30年代得以实现。

就刚刚着陆的“嫦娥四号”而言，它跟“嫦娥三号”结构类似，完成的任务也类似，突破的技术难关也比较接近。

月球表面没有大气，没法利用气动减速的办法着陆。“嫦娥四号”首先要靠自身推进系统减少近1.7km/s的速度，这要求它自己的推进系统的速度增量必须够大。同时，下降过程中，探测器的质量不断减小，重力也随之变化，自身的推力也要可以调整才行。

△2019年1月4日，玉兔二号巡视器继续月背行走，嫦娥四号部分有效载荷开机工作。图为着陆器地形地貌相机拍摄的玉兔二号在A点影像图。   （国家航天局 供图）

软着陆的下降过程，是个时间短、速度变化大、不可逆的过程，没法依靠地面实施制导和控制，只能靠自己的GNC系统—利用基于对月测速、测距和地形识别的传感器，来进行全自主的制导、导航、控制。

而且月球背面到处坑坑洼洼，很少有“完整”的地方，“嫦娥四号”还得有一定的自主避障能力。

着陆时，必须有“着陆缓冲系统”来吸收撞击月面的冲击载荷，还得保证着陆器不翻倒、不陷落。

△1月3日在北京航天飞行控制中心拍摄的嫦娥四号探测器着陆的降落过程

巡视探测的过程也很复杂。漫游车要在有限的能源下，做出前进、后退、转弯、爬坡、越障等动作，并保持运动的稳定性。车轮形态、悬架形式、月壤可通过性和移动性能仿真性，都是要处理的问题。

到了预定的工作地点后，月球车还要具备在环境中识别危险、确定自身姿态位置、辨别目标位置、规划到达目标位置的能力。这需要基于多种传感器信息融合的路径规划技术。

这些难点，“嫦娥三号”和“嫦娥四号”都攻克了。“嫦娥四号”主要是优化了降落过程的制导程序，漫游车也会等待电力充满再工作。

04

奔月何为

地球人很早就惦记着“上月球”了。“琼楼玉宇，高处不胜寒。”科幻小说家儒勒·凡尔纳写了《从地球到月球》，吸引了鲁迅为之翻译。

“然人类者，有希望进步之生物也，故其一部分，略得光明，犹不知魇，发大希望，思斥吸力，腾空气，泠然神行，无有障碍。”

当然，登上月球，一方面是满足科学探索的好奇心，一方面也有很多现实的因素。“阿波罗”系列飞船带回的样本证实了氦-3的存在。根据探测结果，月球上的氦-3含量估计在100万吨以上。氦-3是氦的同位素之一，地球上的储量极其稀少，只有10~15吨。

使用氦-3的核反应堆没有中子，因为纯氦-3的热核反应只会产生没有放射性的质子，因此也就不会产生辐射。

据专家计算，如果采用氘和氦-3进行核聚变反应来发电，美国年发电总量仅需消耗25吨氦-3。以目前全球电价和空间运输成本算，月球上1吨氦-3的价值约为40亿美元。但随着空间技术的成熟，运输成本一定会下降。法国科学家就宣布，2030年将使用氦-3进行商业发电。

印度也早就瞄准了月球上的氦-3。“月船2号”的目的正在于此。不过，对月球开采，只有美国和卢森堡通过了立法，允许商业实体将太空开采的东西据为己有。目前，还没有任何相关国际性条约。

月球南极的艾特肯盆地，正是氦-3的丰富储地。“嫦娥工程”的“科学目标”中就包括，“评估月壤中氦-3的资源量与分布”。

△月球中转站

除了为地球提供能源，月球最大的作用还是做一个“中转站”。比如建天文台，由于没有大气层遮挡，没有电磁波干扰，绝对是天文观测的最佳场所。此外，从月球背面能看到宇宙深处，从月球南极能看到银河系的中心。

在月球上建火箭发射场也特别有利。首先，燃料可以就地取材；其次，重力小，发射轻松。所以，美国的长期空间探索计划是要先建立月球基地，再从月球基地出发去探索火星。

05

太空竞赛

相对于美国航天事业的“遥遥领先”和苏联－俄罗斯的殷实家底，印度一直希望坐稳“第三名”的位置，不过这一愿望未能顺利实现。

继美国和俄罗斯之后，中国是第三个用自己的火箭将自己的宇航员送上太空的国家。首次载人行动是2003年，从那以后，中国已经将11名宇航员送入太空。2016年，两位中国宇航员在中国的第二个空间实验室“天宫二号”驻留了30天。

2018年，中国向太空发射了38枚火箭—首次在数量上超过了其他国家；10月有一次发射任务失败，不过主角是中国首枚民营运载火箭“朱雀一号”。作为中国最大推力新一代运载火箭，“长征五号”重型火箭今后将担负更大的责任，比如发射“东方红五号”卫星。

比较惋惜的是，中国火星探测计划中的第一颗火星探测器“萤火一号”，2011年11月搭乘在俄罗斯的探测器上一起发射升空，但因俄联邦航天局提供的“福布斯－土壤”探测器没能按计划变轨，结果双双被困在距离地表206~340公里的近地轨道。俄罗斯先后两次抢救均未成功，“萤火一号”最后于2012年1月坠入太平洋。

△萤火一号

而印度在火星探测上破了一个纪录。2014年9月，印度发射的火星轨道探测器成功进入火星轨道，使印度成为全球首个第一次尝试便成功入轨的国家，仅排在俄罗斯、美国和欧洲之后。但是除此之外，无论是发射火箭、卫星，还是载人、探月，印度的速度都不算太快。

印度的登月计划也分三个阶段，第一阶段是发射无人探测器“月船1号”，这一目标已在2008年达成。第二阶段是发射登月机器人。原定“月船2号”将于2019年1月发射，但因故再度推迟，官方表示目前无法确定发射日期。

2018年12月28日，印度内阁会议批准了载人在太空停留7天的“加冈扬”计划。这是印度首项载人太空任务，将用GSLV Mark III火箭发射“加冈扬”轨道宇宙飞船，载3名宇航员到距离地表400公里的太空轨道。该任务计划耗资1000亿卢比，于2020年进行。

太空探索是一个极其耗费时间和资金的事情，不是小国能办到的。对于大国来说，太空探索必须作为国家级优先事项，不受政治、经济波动的影响，才能保证计划稳定实行。探索的时间、名次、难度，就像国家的勋章，这种荣誉是被记载在人类史册上的。

“嫦娥四号”在迄今为止月球上最大的撞击盆地成功着陆，缩小了中美在登月方面的差距。平克·弗洛伊德乐队有张著名的专辑《月之暗面》（1973），蝉联了“Billboard 200”917周的冠军。这张专辑关注了人类普世价值的主题，还为迷幻摇滚加进了实验性，开创了“太空摇滚”的时代。

乐队成员Roger Waters说：“这张专辑有一个核心思想，那就是人的生命只有一次，所以你必须去抉择、去探索，所以歌词里说‘我会在月之暗面（其实是指月球背面）与你相见’。”

作者 | 本刊记者 荣智慧

编辑 | 谢奕秋 [e-mail]

排版 | 大倪，Keith

（图片如有侵权，请联系删除）

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