萬字解析：登陸月球背面，中國怎麼做到的？

本文來自微信公眾號：瞭望智庫 （ID：zhczyj），摘編自《月背征途》（北京科學技術出版社|未讀2021年1月出版），作者：北京航天飛行控制中心，編輯：田碩，題圖來自：視覺中國

美國國家航空航天局（NASA）宣佈美國新一代登月火箭「太空發射系統」確定於8月29日搭載「獵户座」飛船升空，執行「阿爾忒彌斯1號」無人繞月飛行測試任務。

「太空發射系統」升空將標誌着美國2017年批准的新登月計劃「阿爾忒彌斯」終於正式開啟。按照「阿爾忒彌斯」計劃，美國宇航員最早可在2025年底前重返月球。在這之前，美國航天局將開展代號為「阿爾忒彌斯1號」的無人繞月飛行測試和代號為「阿耳忒彌斯2號」的載人繞月飛行測試。

面對「阿爾忒彌斯」計劃的不斷推迟，相比之下，我國的探月工程則穩紮穩打，按部就班，有序進行。2020年12月17日，「嫦娥五號」返回器攜帶月球樣品在我國內蒙指定區域安全着陸，為我國探月工程「繞、落、回」三步走發展規劃畫上了圓滿句號。

回首我國探月曆程，有一帆風順，也有跌宕起伏。庫叔今天帶你走進我國探月之旅。

一、「嫦娥一號」：飛出地球母親的懷抱

「嫦娥一號」的成功發射，正式拉開了中國月球探測的大幕，也標誌着我國成為繼俄羅斯、美國、日本和歐洲之后的第五個發射月球探測器的國家（組織）。

2007年10月11日，「嫦娥一號」運抵西昌衞星發射中心發射場。圖｜新華社

「嫦娥一號」的奔月之路分為四個階段，即停泊軌道段、地月轉移軌道段、月球捕獲軌道段和環月長期運行軌道段。

【注：停泊軌道是進入地月轉移軌道前所採用的臨時性的軌道。爲了將衞星送到月球這樣遠的距離，「嫦娥一號」在進入地月轉移軌道前經歷了一段繞地球飛行的停泊軌道，衞星在停泊軌道上利用自身的推進系統進行了3次近地點軌道機動，逐步抬高遠地點后進入地月轉移軌道。】

「嫦娥一號」衞星停泊軌道

1. 起飛，進入停泊軌道

2007年10月24日18時05分，長征三號甲運載火箭在西昌衞星發射中心騰空而起，把「嫦娥一號」精準地送入了預定軌道。

此前中國航天曆次飛行控制任務均屬於對繞地球飛行的衞星進行控制，最遠距離不過8萬千米。而這次「嫦娥一號」的最遠飛行距離達到了41萬千米。如果把「嫦娥一號」比作巨大的風箏，地面測控系統和飛控中心就是放風箏的人，只是使用的不是風箏線，而是電磁波。

衞星從38萬千米外傳回的電磁信號強度只相當於近地軌道傳回信號的百萬分之一。而且，嫦娥一號攜帶天線的最大發射功率只有12瓦，微弱的信號混雜在各類空間複雜的電磁噪聲中，給測控設備跟蹤和飛控任務帶來了很大的困難。在當時的條件下，主要依靠喀什12米測控站、青島10米測控站、聖地亞哥9米測控站、歐洲航天局國際聯網測控站完成飛控工作。

「嫦娥一號」正式踏上奔月之路前，需要在地球停泊軌道進行4次軌道控制。第一次控制在遠地點點火，將近地點高度從約250千米抬高到600千米，並將近地點調整到國內測控區的上空，為后續3次近地點加速做好鋪墊。前兩次近地點調相控制先將遠地點高度由5.1萬千米抬高到7.2萬千米，再抬高到12.1萬千米，軌道周期由16小時調整到48小時，為地月轉移做好了準備。

2. 飛翔在地月之間

從理論上講，從地球到月球存在無數條可能的軌道，而其中消耗能量最小的軌道只有一條，軌道設計正是要找出這樣的最佳軌道。因此，「嫦娥一號」進入地月轉移軌道入口的時機以及運動狀態，特別是位置和速度等因素非常關鍵。如果時機不對，「嫦娥一號」將無法找到月球，從而不能和月球相會；如果速度過大，也將錯過月球，無法進入月球引力作用的範圍；如果速度過小，就會像中途拋錨的汽車，無法擺脫地球引力的束縛到達月球。

10月31日17時25分，經過8圈的繞地飛行，「嫦娥一號」來到地月轉移軌道的入口，490牛發動機點火，啟程飛向月球，114小時后到達。

隨着「嫦娥一號」離地球越來越遠，地球引力不斷減弱，而月球引力不斷增強，當「嫦娥一號」進入離月球6.6萬千米遠的半徑範圍時，起主導作用的變成了月球引力，而不是地球引力。

3. 被月球抓住

當「嫦娥一號」抵近月球時，需要對它進行一次「太空剎車」，使它順利被月球引力捕獲。近50年人類的探月史上，航天器「太空剎車」的成功率只有50%。

這是中國人第一次操控探測器進入月球軌道，其意義太重大了，爲了降低風險，「嫦娥一號」採取3次制動方式，逐步降低環月軌道高度。

11月5日11時15分，發動機按地面注入的開機時刻準時開機，達到預定速度增量后正常關機，第一次近月制動成功！「嫦娥一號」被月球引力捕獲，進入12小時繞月橢圓軌道。這是一個創造歷史的時刻，中國人終於有了第一顆屬於自己的環月衞星！

11月6日11時35分，「嫦娥一號」進行了第二次近月制動。衞星進入了繞月3.5小時小橢圓軌道，並運行了7圈，一切正常。

11月7日8時24分，「嫦娥一號」第三次近月制動，最終進入了127分鍾月球極月軌道。這個軌道接近圓形，離月球表面200千米，此時的「嫦娥一號」纔算真正進入科學探測的工作軌道。

4. 月球終現真容

我們把「嫦娥一號」稱為探路者，因為它是我國第一個進入地月轉移軌道的航天器，也是我國第一個被月球引力捕獲的航天器。利用「嫦娥一號」拍攝的照片，我國第一次發佈了高精度全月圖，分辨率達到120米，是當時世界上公開發布的精度最高的全月圖。

2007年11月20日至2008年7月29日，「嫦娥一號」共繞月飛行3000余圈，並採取掃描的方式，完成了全面圖像獲取工作。

5. 受控撞月

在完成全部探測和科研任務后，2009年3月1日，「嫦娥一號」累計飛行494天，5514圈，就在這一天，「嫦娥一號」以撞擊月球這一悲壯的方式結束了它的使命。

【注：為什麼選擇受控撞月？撞月是國際航天領域月球探測器結束使命普遍採用的方式。這樣做的目的有兩個：一是避免在月球軌道上留下航天器的殘骸，防止太空垃圾碰撞未來的航天器；二是觀察深度撞擊后月壤的變化，尋找月壤深處水的證據。】

二、嫦娥二號：從月球走向深空

「嫦娥二號」發射採用的是長征三號丙運載火箭。這一次，火箭的推力可以直接將「嫦娥二號」送入地月轉移軌道，不再需要繞地球兜圈了。基於這次成熟的技術，其后的「嫦娥三號」「嫦娥四號」都是由火箭發射直接進入地月轉移軌道的。

2010年10月1日，搭載「嫦娥二號」的長征三號丙運載火箭在西昌衞星發射中心發射升空。圖｜新華社

1. 奔月直通車

2010年10月1日18時59分57秒，「嫦娥二號」在西昌衞星發射中心成功發射。衝勁十足的它直接進入了地月轉移點，並在10月2日凌晨3時39分拍下了路上的風景——地球和月亮。

2010年10月6日11時06分，飛控中心發出了第一次近月制動指令，「嫦娥二號」開始「剎車」，在距離月球100千米的地方被月球捕獲，進入了12小時的橢圓形環月軌道。相比於「嫦娥一號在近月點200千米被月球捕獲，這次操作難度提升了一大截。在這之后，「嫦娥二號」與「嫦娥一號」一樣，還有2次近月制動，第二次制動讓其進入了3.5小時小橢圓形環月軌道，第三次制動則進入了高度100千米的118分鍾極月圓軌道。

「嫦娥二號」於2010年11月2日轉入長期運行管理階段。這次的目標很明確：拍攝更高分辨率的全月圖。

2. 首張7米分辨率的全月圖

由於軌道高度由「嫦娥一號」時的200千米降低到100千米，因此拍攝的月面更清晰。歷時199天，「嫦娥二號」總共拍攝了600多幅照片，其中384幅照片被用於製作7米分辨率的全月球地形影像。

3. 為「嫦娥三號」鋪路

為完成對「嫦娥三號」預選着陸區高分辨率成像和對后續軟着陸任務關鍵技術的先期驗證，2010年10月26日，飛控中心對「嫦娥二號實施了降軌控制試驗。衞星成功由100千米x100千米的圓軌道進入了100千米x15千米的試驗軌道。之所以選擇這樣一條試驗軌道，是因為原定「嫦娥三號」動力下降前的準備軌道正是這個橢圓軌道。

降軌控制的另外一個目的就是讓「嫦娥二號」對「嫦娥三號」預選着陸區——虹灣進行高分辨率成像。「嫦娥二號」相機在100千米軌道的分辨率優於10米，在100千米x15千米的軌道上時，近月點拍照分辨率能夠達到1米。這麼高的分辨率，一方面，可以為地質學家提供更精細的立體圖像，促進對月球地質構造的研究；另一方面，為「嫦娥三號」選取安全着陸區奠定了堅實的基礎。

4. 孤獨的旅程

「嫦娥二號」在2011年4月1日達到了設計壽命，完成了所有工程和科學目標。由於飛控中心的精心呵護，它不僅狀態良好，還剩余了不少推進劑，也就是説，它還有充足的動力可以繼續飛行。

其實，從「嫦娥二號」發射成功之日起，有關它的最終歸宿就一直是人們最感興趣的話題。關於它的歸宿有5種選擇：撞擊月球；向深空飛行；對小行星以及拉格朗日點進行探測；繼續運行在環月穩定軌道，用於對2012年底建成的測控系統35米和64米深空大天線更遠距離的測控能力的驗證；返回地球軌道。

關於「嫦娥二號」歸宿的幾個選項，各自有不同的科學價值。其中，返回地球軌道，並不是難事；撞擊月球雖然可以為「嫦娥三號」落月積累一些寶貴的經驗和數據，但奔赴深空更有價值。事實上，「嫦娥二號」在發射前，特別加載了X頻段信號（火星探測乃至更遠的深空探測也採用這一頻段）收發設備，使得信號抗衰減性大大增強，也因此讓航天器飛得更遠成為可能。如果它的工作壽命能再延長一年半，這對中國航天來説極其珍貴，因為當時我國正在全力建設的地面深空測控網計劃將在2012年下半年完成，「嫦娥二號」可以直接對地面深空測控網做全面測試。

日-地拉格朗日L2點距地球大約有200個地球半徑那麼遠，在地球的遠磁尾處。在那里，「嫦娥二號」將對太陽風和高能粒子進行動態監測。這將提高人類對地球遠磁尾性質動態和空間天氣的認識。此外，當時太陽活動正處在增加階段，搭載的X射線譜儀將監測太陽耀斑的爆發，這些數據既可以用於空間環境預警，也可以藉此對太陽耀斑演化進行科學研究。不僅如此，若有可能，搭載的γ射線譜儀也許會觀測到宇宙γ射線暴。

基於上面的考慮，從月球軌道出發去日—地朗格朗日L2點的方案從5個方案中脫穎而出。

2011年6月8日至9日，飛控中心對「嫦娥二號」實施了兩次加速控制，使其飛離了月球軌道，成功進入L2轉移軌道，正式向日——地拉格朗日L2點進發。

這趟旅程飛行了150萬千米，歷時77天。2011年8月25日，「嫦娥二號」來到了日—地拉格朗日L2點的環繞軌道。我國成爲了世界上第三個造訪此處的國家，也是世界上首個從月球飛往此處的國家，路上還順便開展了日地空間環境探測，真的是一舉多得。

【注：1765年歐拉發現，在一個旋轉二體（如地球—月亮）重力場中存在3個共線的天平動點。1772年，拉格朗日指出，在一個旋轉二體重力場中還存在另外兩個天平動點，后人將這5個點統稱為拉格朗日點，也稱平動點（L1、L2、L3、L4、L5）。平動點是航天器在受到兩個大天體的萬有引力作用時，在空間中的引力平衡點，運行於平動點的航天器可以長期保持軌道位置而幾乎不用消耗推進劑，使其在停泊中轉、中繼衞星、星際轉移等未來深空探測任務中具備較好的工程應用價值。】

5. 「嫦娥」與「戰神」的約會

為最大限度挖掘衞星潛能，在「嫦娥二號」完成所有既定任務目標后，我們為它安排了與小行星交會的方案。經過對小行星庫中60多萬顆小行星的細緻挑選，我們最終挑選圖塔蒂斯作為「約會對象」。

圖塔蒂斯是以西方凱爾特人神話中戰神名字命名的小行星，每隔四年纔會與地球近距離接觸一次。2012年12月13日前后，圖塔蒂斯再次到達近地點約700萬千米處，之前美國、歐盟、日本等國家（組織）都是採用雷達、可見光及紅外成像技術對它遠距離觀測，如果這次中國能夠對小行星進行近距離拍照將是國際首次，意義不言而喻。

要使「嫦娥二號」與圖塔蒂斯交會，需要控制它脱離日—地拉格朗日L2點，飛往小行星交會的轉移軌道。這在我國以往的航天任務中沒有先驗軌道可以參考，國際上此類大範圍星際轉移技術也都是國家機密，無從借鑑。衞星與小行星交會的機會只有一次，且相對飛行速度超過10千米/秒，其控制難度比在萬米高空操控兩顆子彈相撞更大，對衞星上根本沒有考慮高速成像需求的相機也提出了苛刻的要求。

2012年4月15日和6月1日，飛控中心通過兩次變軌，控制「嫦娥二號」飛離日—地拉格朗日L2點環繞軌道。歷經半年的星際旅程，12月13日16時30分，最終與圖塔蒂斯相會。此時兩者最近距離僅3.2千米，「嫦娥二號」採用了回眸凝視的身姿。

這一回眸成功獲取了500幅高質量圖像，分辨率達10米，局部分辨率高達5米。這是世界上首次對該小行星進行近距離光學成像，為后續行星際深空探測任務驗證了可靠的軌道確定與控制技術。

【注：圖塔蒂斯在國際上的官方名稱是「小行星4179」。長4.46千米、寬2.4千米，外形看起來像一粒花生，是迄今為止靠近地球最大小行星之一。它圍繞太陽的公轉周期是1471天，自轉周期是5—7天，2004年9月29日距地球最近距離約160萬千米，約是地月距離的4倍。正是因為它距離地球非常近，所以科學家們已經把他收錄到「潛在危險小行星名單」之中，時刻都在關注它的一舉一動。】

三、「嫦娥三號」：踏上「廣寒宮」

前兩次都是繞月，而落月這個重大的突破就要由「嫦娥三號」來完成了。2013年12月2日1時30分「嫦娥三號」從西昌衞星發射中心發射升空，這次我們使用的是更大推力的長征三號乙運載火箭。

2013年12月2日，搭載「嫦娥三號」的長征三號乙運載火箭在西昌衞星發射中心發射升空。圖｜新華社

1. 7500牛推力無級變速

近月制動是月球捕獲的關鍵，「嫦娥一號」和「嫦娥二號」的主發動機推力都只有490牛，而「嫦娥三號」是全新研製的7500牛的變推力發動機，它可以通過一次制動就進入100千米的環月軌道。

2. 着陸虹灣

着陸虹灣前，飛控中心先實施近月點降軌控制，把軌道調整為100千米x15千米，準備工作就緒后，飛控中心通過指令啟動着陸程序，控制「嫦娥三號」從近月點開始下降。

雖然在「嫦娥二號」探月階段，我們就已經確定了要降落在虹灣區，並預先進行了拍照和詳細勘察，但預備降落的地區並非一片平坦，遍佈大大小小的岩石和撞擊坑。針對這個問題，在「嫦娥三號」設計之初就增加了自動避障功能，選擇相對安全和平穩的區域。

2013年12月14日21時11分，「嫦娥三號」順利地落在了月球表面，落點座標為北緯44.12度、西經19.51度。2016年1月4日，國際天文聯合會（IAU）正式批准嫦娥三號着陸點周邊區域命名為「廣寒宮」。

【注：虹灣並不是真正的灣。我們看到月球上有大面積的暗黑色區域，那是月海，是由類似玄武岩的岩石構成的平原，月海延伸向月陸的部分就被稱為月灣和月沼，虹灣是月灣之一。「嫦娥三號」着陸虹灣，一是因為地形平坦，少有大石；二是因為它位於月球的北緯，光照條件較好，並且可探測的物質豐富；三是爲了能夠和地球順利通信，也需要在月球正面降落；四是虹灣是月球研究的空白，美蘇月球探測器着陸地點多在月球赤道附近，在高緯度地區的不多。】

3. 月球上的第一步

「嫦娥三號」實現了中國首次月球軟着陸，接下來就要控制「玉兔一號」從「嫦娥三號」上走下來。飛控中心的駕駛員們就是「玉兔一號」的眼睛、大腦，更是它的生命保障。

着陸大約4分鍾后，飛控中心的操控人員需要立即對「玉兔一號」進行月面初始化操作，決定採取什麼方式從「嫦娥三號」上走向月面，以及走下來將要面臨的各種情況和處置方法。整個過程從12月14日晚上一直持續到15日早上4時35分，「玉兔一號」終於在月球上留下了中國探測器的第一履足跡。

4. 定格114.8米

自從「玉兔一號」踏足月面后，它的探索工作就開始了。它在第二月晝開展了月面巡視勘察工作，地面控制累計移動29.7米后到達「嫦娥三號」西南方向的預定科學探測點，並圓滿完成各項科學探測任務。

2014年1月15日5時43分至1月16日1時53分，「玉兔一號」在第二次科學探測過程中累計移動26.2米，完成圖像拍攝和科學探測數據下傳后，受複雜月面條件影響，月球車結構控制系統狀態異常。地面連續進行了故障處置后未能排除故障。1月23日12時42分，控制「玉兔一號」在故障狀態下進入第二月夜「休眠」。

經第三月晝的故障處置后，依然未能排除故障。為擴大探測成果，在進行故障處置的同時，地面多次控制打開「玉兔一號」各類相機和有效載荷，獲取了大量有效的探測數據和圖像數據。2月23日下午，地面控制「玉兔一號」進入第三月夜「休眠」。

在圓滿完成3個月的設計壽命后，「玉兔一號」由於故障停止了前進的腳步，行駛距離永恆地定格在了114.8米。但「嫦娥三號」和「玉兔一號」所取得的開創性成果和經驗教訓，仍為中國探月工程后續任務的實施打下了堅實的基礎。

「玉兔一號」在月球正面留下了中國探測器第一履足跡

「嫦娥三號」第一次實現了中國在月面的軟着陸。如今，它又已成為全世界在月球上工作時間最長的探測器，我們月球上的「老壽星」每一天都在創造新的世界紀錄。

「嫦娥三號」

四、通往月之暗面：登月準備

1959年，人類探測器首次登陸月球。1969年，美國宇航員阿姆斯特朗在月球上留下了人類的第一個足印。可是月球背面卻從來沒有人類到訪過。由於月球背面一直背對着地球，人們始終無法窺其一角，因此也產生了很多有意思的想象和推測，有人説那里是外星人的基地，有人説那里有UFO。同樣，中國航天人也對這一神祕之地充滿向往。

1. 定了，去月背！

「嫦娥三號」成功着陸在月球正面虹灣地區，而「嫦娥四號」落在月球哪里，卻引起了科學家們不少爭論。經過反覆論證，選擇降落月球背面這一大膽的計劃被提了出來，選擇月球背面最重要的原因有3個：

第一，更為吸引人的科學探測價值。與月球正面不同，月背地形更為崎嶇，幾乎全是環形山和古老的隕石坑。「嫦娥四號」計劃着陸的月球背面南極艾特肯盆地是太陽系第二大超級隕石坑，更接近月球最原始的情況，將為人類研究月球結構和太陽系起源提供更豐富的第一手資料。

第二，更為純淨的空間電磁環境。由於月球自身的遮擋，月球背面沒有來自地球的一絲輻射干擾，有着無與倫比的空間環境而適合開展各類天文觀測，可以充分彌補地面射電觀測存在的諸多空白。

第三，更強的科技引領力。登陸月球背面是極具想象力和巨大勇氣的科研實踐，可以催生並推動一系列高新技術的快速發展，讓我國諸多科技獲得重大升級，對我國的科技創新與發展產生積極而深遠的影響。

經過反覆考量，我們將「嫦娥四號」落腳點選定在馮·卡門撞擊坑。雖然這里的地形相對平坦，有利於探測器成功着陸，但是依舊危險叢生。美國《福布斯》曾刊文稱「‘嫦娥四號’探測器成功降落在馮·卡門撞擊坑的概率只有50%」，充分說明了降落於此的難度。

【注：馮·卡門撞擊坑位於月球背面的南極艾特肯盆地中部，該盆地是已知太陽系最大、最深和最古老的撞擊盆地，直徑為2500千米，形成於40多億年前，並可能暴露月幔物質，為探測月球深部物質提供了天然窗口。馮·卡門撞擊坑是艾特肯盆地中比較典型的地貌類型，存在了大約36億年，其保存了原始月殼的岩石，並可能含有水，具有極高的科學研究價值。】

2. 地月信使「鵲橋」中繼星

由於天體「潮汐鎖定」效應，月球只能正面對着地球，一旦「嫦娥四號」降落在月背，地球上的測控站無法與月球背面建立無線電通信。

解決方案是什麼？那就是中繼星。

【注：潮汐鎖定：就像我與你之間有一個吸引力，但是我前胸和后背受到的吸引力是不一樣的，就會導致每天像是有人在牽扯我，慢慢會讓我的自轉和公轉速度相同。月球自轉一圈的時間等於繞地球公轉一圈的時間，這導致月球始終以一個半球固定不變地朝向地球。】

茫茫太空，我們究竟要把「鵲橋」搭建在哪里，才能更好地滿足任務需要呢？這一次軌道專家們選擇了地——月L2點。

「鵲橋」雖然選擇了L2點，但是不等於簡單地飛到L2點就行，畢竟地——月L2點也被月球擋住了。所以，我們要做的是讓「鵲橋」中繼星圍繞L2點在一個軌道上進行長期飛行。我們最終選擇了Halo軌道。這個軌道是繞L2點飛行的一個周期軌道，從地球往月球方向看去近似一個橢圓形。

3. 如何飛往Halo軌道

解決了「鵲橋」的工作軌道問題后，下面要考慮的就是怎樣飛往Halo軌道了。飛控軌道專家們給出了3種方式：直接轉移、低能轉移和月球引力輔助變軌轉移。這3種方式各有利弊。

第一種是直接轉移軌道。與地——月轉移軌道類似，只是它的遠地點會更遠。因此，「鵲橋」出發時所需的能量比地——月轉移軌道大得多，而且當它到達L2點時進行捕獲控制，需要的速度增量也更大。

第二種是低能轉移軌道。這個軌道雖然所需的速度增量小，但是近地點出發時需要的速度較大，且轉移時間一般長達3-6個月。將來如果需要運載大量物資到月球，倒是可以採用這種方式。

第三種是月球引力輔助變軌轉移軌道。「鵲橋」在飛行至近月點時，通過借力月球來改變軌道，飛向L2點。在到L2點附近時，可以不經過變軌或只需要很小的速度增量就能讓「鵲橋」進入環繞L2點的Halo軌道。

通過3種方式比對分析，第三種轉移方式在時間和節省能量上最優。

4. 精確捕獲Halo軌道

2018年5月21日5時28分，我國首顆月球中繼星「鵲橋」搭乘長征四號丙運載火箭從西昌衞星發射中心發射升空。5月25日，「鵲橋」成功實施近月制動，順利進入月球至地——月L2點的轉移軌道。6月14日，「鵲橋」成功進入Halo軌道，成為世界上首顆運行在地——月L2點Halo軌道的中繼衞星！

五、登陸月背

2018年12月8日2時23分，「嫦娥四號」搭乘長征三號乙火箭，從中國西昌衞星發射中心發射升空。12月12日到達月球附近，並在飛控中心的精確控制下成功進入環月飛行軌道。回首「嫦娥四號」登陸月背的旅程，看似一切都很順利，實際上一波三折，驚心動魄。

1. 意外發生

俗話説，天有不測風雲。「嫦娥四號」的奔月之旅開局后不久就出現了突發狀況。

12月8日上午9時，一個緊急情況傳到了會場，探測器燃料意外泄漏。初步計算的燃料損失量已經遠超推進劑設計余量，這意味着如果還按照前期反覆論證和演練的軌道控制方案，「嫦娥四號」將無法安全落月，從而直接導致整個任務前功盡棄。

這一次，還能去月背嗎？

早在任務準備階段，軌道專家組就經過反覆研究論證，提出了一種新的聯合優化控制技術，既能保證各個階段定點、定時着陸的控制，還能為「嫦娥四號」的動力下降提供更多的推進劑節余。

有了聯合優化控制技術作為基礎，軌道專家組通宵達旦地連續奮戰，一套精確成熟的軌道重構設計方案終於如期交付，並順利通過了評審。

令人驚歎的是，直到2019年1月3日實施動力下降時，「嫦娥四號」仍有近3千克的推進劑節余，沒有動用1克動力下降燃料。

2. 環月降軌

根據既定方案，「嫦娥四號」要從距月面15千米處開始動力下降。因此，飛控中心在12月30日先將其從100千米的圓形軌道降軌調整為100千米×15千米的橢圓軌道。

2019年1月3日10時15分，動力下降開始的指令通過「鵲橋」中繼星，發送至環月軌道上的「嫦娥四號」，動力下降開始。

在7500牛變推力發動機反推作用下，「嫦娥四號」的飛行速度逐步下降。約5分鍾后，「嫦娥四號」攜帶的降落相機開機，圖像通過「鵲橋」中繼星傳回地面。38萬千米外的飛控大廳里，大家都屏住呼吸，緊盯着眼前的屏幕，期待着能夠儘快親眼見證降落月背的壯觀景象。

2019年1月3日10時26分，「嫦娥四號」穩穩地落在月球背面南極艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內，中國成為世界上第一個成功實現月球背面軟着陸的國家！

經過飛控中心的精確計算，中國首次獲得「嫦娥四號」的落月點的座標為東經177.57°、南緯45.46°，這也是人類首次到達月背的精確位置座標，在人類探月征程中具有重要的里程碑意義。

3. 月面釋放

「兩器分離」是決定「嫦娥四號」任務成敗的關鍵環節。分離前后工作還有哪些問題？所有的可能都想到了嗎？

「嫦娥四號」登陸月背時是南向着陸，「玉兔二號」要從「嫦娥四號」的南側踏上月背。我們分析必須進行360°環拍，以全面掌握其周邊地形。若「玉兔二號」駛離后按照錯誤方向環繞，將嚴重影響月晝下午行駛到「嫦娥四號」北面完成「兩器互拍」的任務。經分析研究，提出了調整導航相機俯仰角度進行環拍一圈的策略，在不增加成像耗時的基礎上，確保對南北向及周邊環境的成像感知，一舉兩得。

異常總是不期而遇，飛控中心發現「玉兔二號」全向天線B機AGC（自動增益控制）電平在太陽翼展開、桅杆展開、動作以及移動時都會產生波動，影響指令發送接收。由於整個過程都未發現天線遮擋，因此懷疑是由於嫦娥四號桅杆和定向天線反射的中繼星電磁波造成了多徑效應，由相位相反的反射信號抵消了部分直射信號的功率，造成接收信號減弱。

定位分析完成后，最終決策將桅杆收攏以完成后續分離過程。「玉兔二號」終於「低着頭」安全駛下「嫦娥四號」。

「玉兔二號」收攏桅杆駛離「嫦娥四號」

4. 「嫦娥」登臺表演

「嫦娥」抱「玉兔」，翩然落月宮。1月4日晚，在飛控中心的控制下，「玉兔二號」順利進入午休狀態。人們將目光從「玉兔」身上轉移到了「嫦娥」的身上。此時，「嫦娥」在忙什麼呢？

「嫦娥四號」代表人類探測器第一次登陸月背，其攜帶的裝備自然不同凡響，其中就有我國自行研製的低頻射電頻譜儀。

低頻射電頻譜儀主要用來探測波長10米及以上的低頻電磁波。這類電磁波幾乎無法穿透大氣層進入地球，因此月球所處的空間環境就是一個絕佳的觀測場所。特別在月球背面可以更好地屏蔽來自地球的射電干擾，從而獲得最佳的觀測效果。

地面按計劃控制低頻射電頻譜儀完成了低頻信號探測試驗，為后續獲取空間低頻電磁數據奠定了堅實基礎，也將有效填補地月射電天文觀測上的空白！

站在月背之上，環顧四周，看到的將是一幅怎樣的景象呢？1月6日，飛控中心按計劃實施「嫦娥四號」地形地貌相機環拍計劃及圖像下傳。經拼接處理，第一張月背全景圖展現在飛控大廳的大屏幕上。原來，月背的風光也格外迷人！

5. 兩器互拍

「兩器互拍」是着陸月背過程中的一場重頭戲，也是「嫦娥四號」任務宣佈圓滿成功的重要任務目標。「玉兔二號」午休結束后，飛控中心一刻不停地駕駛「玉兔二號」向「嫦娥四號」北側預定成像點進發。

1月11日13時47分，「嫦娥四號」地形地貌相機在偏航172°、俯仰-60°位置對「玉兔二號」進行了靜態成像。圖像處理結果傳回后，「玉兔二號」安靜地出現在了畫面中央，圖像亮度適中，月面上車轍清晰，「嫦娥四號」天線的陰影完全消失，「玉兔二號」車身上的國旗展露着一抹絢爛的色彩。

16時41分，「嫦娥四號」對「玉兔二號」進行正式成像，16時46分，圖像下傳完畢，地面處理顯示正常，「兩器互拍」工作完成！

「嫦娥四號」地形地貌相機拍攝的「玉兔二號」正面圖像

至此，「嫦娥四號」任務取得圓滿成功！

6. 「嫦娥四號」創造了歷史

在「嫦娥四號」與「玉兔二號」互拍成功，並向全世界宣告中國探測器成功實現着陸月背后，海內外媒體徹底沸騰了。

2018年12月8日，西昌衞星發射中心用長征三號乙運載火箭成功發射「嫦娥四號」。圖｜新華社

美國國家航空航天局（NASA）局長第一時間在社交媒體上向中國「嫦娥四號」團隊表示祝賀：這是人類史上的首次，更是一項「令人印象深刻的成就」！

美國太空探索技術公司CEO、特斯拉創始人馬斯克也第一時間留言：「祝賀！」

美國消費者新聞與商業頻道網站報道説：「嫦娥四號」成功着陸月球背面創造了歷史。

《紐約時報》報道稱：「嫦娥四號」成功着陸月球背面開啟了人類探月曆史的新篇章，充分證明中國在深空探測領域已達到世界領先水平。

俄羅斯齊奧爾科夫斯基航天研究院院士表示：「嫦娥四號」成功落月是中國取得的一項重大航天探索成就，確保探測器在月球背面着陸的技術非常複雜，此前任何國家都未能使其探測器在月球背面軟着陸，中國這一成功產生了巨大的心理轟動效應。

英國《每日電訊報》網站報道稱：以前人類發射的航天器曾拍到過月球遠端，但還沒有一艘航天器或探測器在月球背面着陸過；成功着陸月球背面是「嫦娥四號」任務的第一步，接下來它將執行一系列探測任務，將有助於人類更深入地瞭解月球的形成。

德意志新聞社報道稱：中國現在是第一個使探測器在月球背面着陸的國家。這次登月任務的順利進行將證明中國的太空計劃正在取得重大進展。

日本媒體表示：自美國通過「阿波羅計劃」將人類送上月球后，讓探測器在月球着陸計劃就幾乎沒有成功過。21世紀只有中國探測器成功着陸，中國探月已領先世界一步，這是確定無疑的。

六、結語

回首中國探測器登陸月背的探險之旅，讓人心潮澎湃，感慨萬千。面對月之暗面這一人類「禁區」，中華民族展現出了「敢為天下先」的魄力和勇氣，邁出了人類探測器登陸月背的第一步。而嫦娥工程也幫助我們揭示了月面的諸多祕密，並使我國成為人類探索月背的先驅。

我國未來深空探測任務將重點開展月球永久陰影探測、小行星採樣返回探測、火星採樣返回探測、木星及行星際穿越探測、太陽系邊際探測等一系列深空探測活動。隨着上述任務的實施，將開拓我國深空探測的深度和廣度，獲取重大原創性科學發現，加快實現我國的航天強國建設。

本文來自微信公眾號：瞭望智庫 （ID：zhczyj），作者：北京航天飛行控制中心，編輯：田碩