成果簡介

　　2019年1月3日10時26分，我國“嫦娥四號”探測器自主著陸在月球背面——馮·卡門撞擊坑內，在人類歷史上首次實現了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察，首次實現了地球與月球背面的測控通信，首次進行超地月距離的激光測距技術試驗，首次開展國際合作載荷搭載和聯合探測。“嫦娥四號”探測器創造了在月背工作最長時間紀錄，獲取了大量月球的科研探測數據，為人類了解月球提供了更為豐富的資料。

歷史背景

　　由于月球自轉周期和公轉周期相等，又被地球潮汐鎖定，地球強大的引力使月球總是一面朝向地球，一面背向地球，月球的背面就成了人類一直魂牽夢縈的地方。

　　2019年4月，以色列首個探月任務——創世紀號在成功繞月之后，于動力下降階段不幸著陸失敗，墜毀在月球表面。同年9月，印度首個月球著陸器——月船二號著陸器在動力下降至距離月表2.1公里后失去聯系，最終軟著陸失敗，也墜毀在月球表面。從環繞到著陸，這“再靠近一點點”的十幾或者幾十公里距離里，無數探測器折戟于此。

創新歷程

【增加修正軌道，調整動力下降控制策略】
　　因為在地球方向不能直接看到“嫦娥四號”落月過程，整個過程必須依靠探測器自主操控，而且回傳畫面會有延遲，所以對地面人員來說，落月過程幾乎就是一個“盲降”過程。“嫦娥四號”的計劃著陸區雖然是位于相對平坦的馮·卡門撞擊坑內部，但馮·卡門撞擊坑整體是位于月球背面崎嶇的南極——艾特肯盆地內部的，整個降落航跡下的地形起伏高達6公里。這意味著“嫦娥四號”可選擇的著陸范圍更小，而且它必須落得非常準——一旦偏了一點，就可能落不進平坦的預定著陸區，而是撞上崎嶇的高山低谷了。

　　為進一步減少著陸位置的不確定性，研發人員設計“嫦娥四號”時考慮在環月階段增加修正軌道，并在動力下降控制策略上進行了一定調整。“在進行試驗的時候，也考慮了很多因素，比如說著陸器降落的地方最大能傾斜到多少度？如果是像張家界那樣的地形，車在往下走的時候，是順著兩個梯子，這兩個梯子一定是平行的嗎？如果梯子之間形成異面角度，角度最大又能是多少？”設計師賈陽說道。“團隊成員做了幾千種可能情況分析，窮盡了各種極端情況，對算出的可能情況又增加難度做了實驗。”

【地面與“嫦娥四號”間通信的橋梁——“鵲橋”中繼星】
　　“嫦娥四號”探測器之所以能夠實現精準著陸，還有最關鍵的一點就是中繼星——“鵲橋”的提前發射，它為地面與“嫦娥四號”探測器之間搭建起了一座通信的橋梁。

　　中國航天科技集團五院中繼星“鵲橋”主任設計師孫驥說：“‘鵲橋’雖然不是主角，卻是重要的組成部分，其使命就是為月球背面的著陸器和巡視器提供通信服務，這就相當于把一個地面站搬到了天上。”“鵲橋”總設計師張立華說：“這個中繼星個頭不大，整星重量只有400多公斤，但它要一端連著遠到8萬公里的探測器，另一端連著40多萬公里外的地球，這個距離太遠了，所以通信天線的口徑必須要足夠大。”如果是在地面上，這很容易實現，但由于火箭空間限制，上星的天線要面臨很多難題。

　　考慮到諸多因素，研發團隊經過多番設計試驗，最終選擇了傘狀天線的新方案。這樣發射時天線可以收攏到最小，入軌后再展開，但這樣的天線加工裝配過程卻非常復雜。因為天線上有幾千個繩系控制點，為確保展開后符合型面精度要求，必須一個點一個點地通過手工調整到位。“傘天線研制和衛星測試的工作強度和壓力巨大，時間上又比較緊張，團隊的科研人員經常連續幾個月加班加點，最緊張時連軸轉，沒有周末和節假日。”張立華說。

　　“鵲橋”最終于2018年5月21日從西昌衛星發射中心升空。除了為“嫦娥四號”任務提供中繼服務，“鵲橋”還可開展科學與技術實驗。其上搭載了荷蘭與中國科學家聯合研制的低頻射電探測儀，可“聆聽”來自宇宙深處的“聲音”。此外，還搭載了中山大學研制的激光角反射鏡，開展遠距離激光測距試驗，為未來的應用奠定技術基礎。中國科學院院士、空間科學首席科學家葉培建也表示，如果外國航天器想去月球背面探測，也可以通過這顆中繼星獲得幫助，這是中國對世界的貢獻。

重大意義和深遠影響

　　“嫦娥四號”任務的立項實施是黨中央對發展航天事業、建設航天強國作出的重大決策，是落實習近平總書記“推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展”指示精神的具體行動，是備受世界矚目的中國航天重大工程，是航天領域開放合作的示范工程，是月球探測領域承上啟下的標志性工程，具有重大政治意義和現實意義。它為國際“探月旅程”提供了中國方案、中國智慧，在全人類的探月史上留下了濃墨重彩的一筆。