嫦娥四号为何"多"飞了半个月才落月?

　　玉兔的第一行脚印：嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的“玉兔二号”巡视器走上月面影像图。国家航天局供图

　　嫦娥四号巡视器即月球车的车轮。国家航天局供图

　　沉寂了几十亿年的月球背面，终于迎来第一位地球访客——嫦娥四号。1月3日，嫦娥四号在飞越38万公里，跋涉近1个月后，成功踏足月球背面。

　　月球是距离人类家园最近的天体，从嫦娥奔月的神话到万户飞天的尝试，中国人对月球的神往从未停歇。但在过去60年的人类月球探测史上，月球背面始终是一块未被抵达的处女地。（详见中国青年报2018年12月10日 1 版《“嫦娥”再奔月 缘何向“背面”》）

　　如今，随着嫦娥四号翩翩落月，人类探测器第一次在月球背面软着陆。有人说，此次任务意义堪比嫦娥三号将“嫦娥栖广寒”传说变为现实，“落月”是向国际领先者追赶，而这一次，则是“嫦娥一小步，人类一大步”，改写了全人类的历史。

　　嫦娥落月地点有何深意？

　　月球背面东经177.6度、南纬45.5度。中国探月工程的落月壮举，让这组略显拗口的地理坐标第一次走进公众视线。

　　就是在此附近的预选着陆区，即南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑，来自中国的嫦娥四号探测器成功着陆，实现了人类探测器首次月背软着陆。

　　对嫦娥四号来说，找到一个合适的着陆点安家，是初入月背的头等大事。月球背面那么大，嫦娥四号为何独独选择在南极-艾特肯盆地“安家”？

　　航天科技集团五院专家告诉中国青年报·中青在线记者，为了完成着陆器月球软着陆探测任务，软着陆区域的选择应从两个方面来考虑，也可称之为“两个有利于”，即有利于科学探测目标的实现和有利于工程的实施。

　　嫦娥四号远赴月球背面，不是为简单地写下一句“到此一游”，而要在科学探索上“大展拳脚”，选择落区应满足其科学探测的需要。

　　不少人选择在“北上广”等地扎根，图的是大城市的丰富资源，嫦娥四号作为“月漂一族”，也是按照这个逻辑在月球上寻找安家地点，即选择在地质现象丰富或成熟月壤区、矿产资源丰富的地区，如月海和高地的接触带、大型山脉、典型撞击坑构造区域等。

　　南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑就符合这样的条件。中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁曾提到，冯·卡门撞击坑具有较高的科学探测价值，坑内的钍、氧化铁、二氧化钛等含量均较高，同时物质组成的异常空间分布，可能提供火山活动以及月壳活动线索，有利于开展月壳活动研究，并对月幔玄武岩起源研究有重要意义。

　　这是其一，其二就是可行性。要办好人类首次月球背面软着陆这件大事，除了“天时”与“人和”，还要看“地利”——必须选择在相对平坦的区域，否则，嫦娥落月就有可能闹出“翻跟头”的笑话。

　　“采光”不好也不行。用航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统总设计师孙泽洲的话说，如果降落到低纬度地区，光照条件好、能源获得充足，但对于热控是巨大挑战；如果降落在高纬度地区，热控压力大大减少，但太阳能获取又受到影响。

　　综合考虑多种因素，嫦娥三号按照中高纬度降落来进行设计，嫦娥四号在月球背面着陆的纬度也确定在40度～50度的范围内，孙泽洲说：“如此既能确保探测器获得足够的能源，又能避免月昼带来的高温影响。”

　　就这样，嫦娥四号的新家园落在了冯·卡门撞击坑内。

　　落月过程真的是“盲降”吗？

　　相较于嫦娥三号，嫦娥四号的落月难度更大。吴伟仁打了一个比方：月球正面相当于我国的大平原，地势平坦，但月球背面就有点像我国的西南山区，到处都是高山和撞击坑；嫦娥三号相当于在华北平原着陆，而嫦娥四号则是在崇山峻岭的云贵川地区着陆。

　　航天科技集团五院502所制导、导航与控制系统科研人员给出一组数字：嫦娥三号月球正面着陆区地形起伏仅800米，着陆时可供选择的区域范围长约300公里、宽约90公里，而嫦娥四号月球背面着陆区地形起伏达6000米，只能在有限的相对大的撞击坑里寻找相对平坦的位置作为着陆区。何谓“平原”，何谓“山区”，可见一斑。

　　同样困难的是，地球方向无法直接“看到”落月过程，所有的信息传输都需要由“鹊桥”中继星中转完成，期间会产生一定的延时，这对于瞬息万变的降落过程显然太久——这一难题，也是长期以来从未有探测器或宇航员着陆月球背面的主要原因。

　　因此，对地面人员来说，在月球背面降落近乎是“盲降”，任务风险和压力都交给了制导、导航与控制系统。

　　嫦娥四号着陆器制导、导航与控制系统主任设计师、航天科技集团五院502所专家程铭说，航天是系统工程，高风险、高难度，每一个大大小小的因素都可能关系着整个任务的成败，制导、导航与控制系统更是如此，它负责嫦娥四号着陆器和巡视器组合体奔月、环月、落月的整个过程的控制，“特别是临近月球时的‘踩刹车’和落月的过程，没有重来的机会，对系统的可靠性有着极高的要求。”

　　1月3日，程铭和团队成员一起见证了嫦娥四号“盲降”的全过程——

　　首先是掉头，做好下降准备，等到落月指令后，嫦娥四号按照制导、导航与控制系统的指挥，在距离月面15公里高度启动发动机开始减速，同时调整姿态。

　　在距离月面8公里时，嫦娥四号变为垂直下降，直至最后100米——这是和嫦娥三号落月最大的不同。

　　“如果说嫦娥三号是以一个抛物线的形式着陆，那么嫦娥四号就近乎垂直着陆。”按照孙泽洲的说法，这种着陆方式，在15公里到8公里高度为倾斜下降，8公里之后就改为垂直向下。与之相应的是，嫦娥四号着陆导航敏感器的性能就必须进一步提升。

　　距离月面100米处，嫦娥四号稍稍悬停，在空中缓了口气，待选定落脚点后，才缓缓“飘”了下去。

　　孙泽洲表示，此举是为保证落地时每只脚都不踩到石头上或坑里，悬停即是对障碍物和坡度进行识别，找好理想着陆点。

　　大约10分钟后，嫦娥四号自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内。整个过程，地面人员都通过“鹊桥”中继星观看了“直播”。

　　不少人捏了一把冷汗：这其中不乏风险，比如，如果下降过程中，“鹊桥”中继星的信息传输“卡住”，影响到数据上传，怎么办？

　　程铭透露，制导、导航与控制系统设计了延时数据注入功能，就是把要发送给着陆器计算机的数据，提前发送到着陆器上暂存，待到着陆器上的时间和该标签相同时，数据便自动注入。如此，“鹊桥”中继星的实时数据注入，就成为备份手段。

　　此外，这一系统还可以自主故障诊断与重构，换句话说，万一真的发生了故障，系统可以自己给自己 “诊断”，找到病灶并剔除病灶，通过身体各部分功能的优化再组合，确保整体功能正常。

　　如今，随着落月成功，嫦娥四号着陆器身上的制导、导航与控制系统完成了使命，但嫦娥四号任务还在继续，后续还有月球车的月面就位探测、巡视探测，月昼月夜的交替等挑战，这些将考验在月球车身上的制导、导航与控制系统。

　　为何“多”飞了半个月才落月？

　　从2018年12月8日成功发射，到2019年1月3日成功着陆，嫦娥四号落月之旅历时27天。相比之下，嫦娥三号探测器于2013年12月2日发射，当月14日即成功着陆，仅历时13天。

　　同样是落月，为何嫦娥四号比嫦娥三号多飞了半个月？

　　孙泽洲给出这样的解释：科研人员希望嫦娥四号探测器着陆时，所在的区域时间恰好是“白天”，以此可得到充分的太阳光能展开工作。

　　不过，嫦娥四号第一次近月制动后，轨道面到着陆区上方时，已是着陆区的“晚上”。嫦娥四号要做的，就是等月球的“白天”出现。

　　这一等就是半个月。孙泽洲说，由于月球自转的周期刚好是28天，即月球上的“一天”相当于地球上的一个月，一个月昼或月夜则分别相当于地球上半个月。所以在月球黑夜开始绕月飞行的“嫦娥四号”探测器，就需要等上大约半个月。

　　既然如此，为何不推迟半个月发射？这就涉及发射窗口问题。嫦娥四号要在月球背面着陆，发射机会的交集只在12月8日和9日各有两次，加起来也只有几分钟。

　　除了“等白天”，还有一个原因备受关注，那就是轨道调整和中继星测试。

　　根据国家航天局公布的信息，嫦娥四号探测器飞行过程分为发射阶段、地月转移阶段、环月阶段和动力下降阶段。

　　12月8日，嫦娥四号探测器搭乘火箭发射；12月12日，嫦娥四号完成“太空刹车”，进入环月轨道；12月30日，嫦娥四号在环月轨道实施变轨控制，进入月球背面着陆准备轨道。

　　航天科技集团五院嫦娥四号着陆器总体副主任设计师许应乔称，嫦娥四号与嫦娥三号在地月转移轨道运行时间相当，只是环月段时间更长，长达20多天。原因有二，一是进行月球背面下降的轨道调整，二是进行中继星的测试，从而更精确地降落。

　　12月12日，嫦娥四号完成“太空刹车”后，进行了两次环月轨道修正，与“鹊桥”中继星进行了4次中继链路测试，开展了激光测距、三维成像、微波测距测速等导航敏感器在轨测试，这些，都是为进入预定着陆区和软着陆做最后准备。

　　如今，嫦娥四号已经张开双臂，拥抱月球背面这片陌生的土地。接下来，伴随着月球车玉兔二号的脚步，它们将看到更多未知风景，这些也将通过“鹊桥”中继星传回地球——这其中每一个发现，都有望成为人类科学史上的第一次。