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嫦娥四號(hào)著陸器地形地貌相機(jī)環(huán)拍全景圖（圓柱投影）

嫦娥四號(hào)探測(cè)器在月背軟著陸后降落相機(jī)拍攝的圖像

嫦娥四號(hào)著陸器拍攝的著陸點(diǎn)南側(cè)月球背面圖像，巡視器將朝此方向駛向月球表面。

2019年1月3日 10：26，嫦娥四號(hào)成功著陸于月球背面177.6° E、45.5° S附近的預(yù)選著陸區(qū)——月球南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin）內(nèi)的馮·卡門撞擊坑（Von Karman Crater），并通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，成為世界第一個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器，實(shí)現(xiàn)首次月背與地球的數(shù)據(jù)中繼通信。

兩器分離后，月兔二號(hào)在月背留下了人類航天器第一行“腳印”。

長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射嫦娥四號(hào)落月探測(cè)器

嫦娥四號(hào)著陸器地形地貌相機(jī)環(huán)拍全景圖（方位投影）

為何要把嫦娥四號(hào)落到月球背面進(jìn)行探測(cè)呢？為什么目前全球已進(jìn)行過約130多次探月活動(dòng)，包括用探測(cè)器撞擊過月球背面，但是從來沒有一個(gè)探測(cè)器在月球背面進(jìn)行軟著陸呢？這要從月球的特性講起。

玉兔二號(hào)巡視器全景相機(jī)對(duì)嫦娥四號(hào)著陸器成像

通過已發(fā)射的大量繞月探測(cè)器人類了解到，月球背面與正面存在很大差異。從整體上講，月球表面可分為月海和月陸兩大地理單元。月海主要是玄武巖，月陸主要是斜長(zhǎng)巖。月球上共有22個(gè)月海，其中19個(gè)分布在月球的正面，月球背面只有東海、莫斯科海和智海3個(gè)月海。月球上顏色較淺的部分類似地球上的“陸地”，稱為月陸，月陸比月海更古老，保留著更為原始的狀態(tài)。月球背面顏色較亮，月陸居多，撞擊坑分布密度也比正面高，地形更崎嶇，其斜長(zhǎng)巖高地可能形成于月球巖漿洋的分異結(jié)晶，這是月球形成的兩大學(xué)說之一。對(duì)其開展形貌、物質(zhì)組成、月壤和月表淺層結(jié)構(gòu)的就位綜合探測(cè)，有望獲得月球最古老月殼的物質(zhì)組成、斜長(zhǎng)巖高地的月壤厚度等重要成果。

嫦娥四號(hào)著陸器地形地貌相機(jī)對(duì)玉兔二號(hào)巡視器成像

月球正面（左圖）與背面對(duì)比圖，正面的月海平原顏色較深，地形比較平滑；而月球背面以月陸為主，地形崎嶇，南部有一個(gè)巨大的撞擊盆地。

因?yàn)樵虑虮趁婢哂胁煌谠虑蛘娴牡刭|(zhì)構(gòu)造，多“山”多“谷”，所以對(duì)研究月球和地球的早期歷史具有重要價(jià)值。地球上經(jīng)歷了多次滄海桑田，早期地質(zhì)歷史的痕跡早已消失殆盡，只能寄望于從月球上仍保存完好的地質(zhì)記錄中挖掘地球的早期歷史。因此，探測(cè)月球背面，既可促進(jìn)對(duì)月球早期演化歷史的新認(rèn)知，對(duì)研究地球的早期歷史也有重要價(jià)值。

由于地球潮汐鎖定、月球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期相同以及天平動(dòng)的作用等原因，在地球上永遠(yuǎn)看不到月球的背面，只有約59%的月面能被地球觀測(cè)到，也就是說，月球背面41%的地方始終受月球阻擋。所以對(duì)天文學(xué)研究而言，月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的射電輻射是研究天體的重要手段，稱為射電觀測(cè)。由于這些天體的距離遙遠(yuǎn)，電磁信號(hào)十分微弱，在地球上，日常生產(chǎn)生活的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)射電天文觀測(cè)產(chǎn)生顯著干擾，因此天文學(xué)家一直希望找到一片完全寧靜的地區(qū)，監(jiān)聽來自宇宙深處的微弱電磁信號(hào)。月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號(hào)，因而在那里能監(jiān)測(cè)到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號(hào)，研究恒星起源和星云演化等，有望取得重大天文學(xué)成果。

遵循工程技術(shù)上可行、科學(xué)上有特色的原則，嫦娥四號(hào)的著陸區(qū)選在月球背面南極–艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)，這是因?yàn)樵撟矒艨泳哂休^高的科學(xué)探測(cè)價(jià)值，且地勢(shì)較為平坦，可以同時(shí)滿足科學(xué)和工程上的要求。對(duì)該撞擊坑的著陸和探測(cè)，能夠揭示月球形成和演化的一些關(guān)鍵問題，在月球科學(xué)研究中具有劃時(shí)代的意義。嫦娥四號(hào)將分析該地區(qū)的地表特征和地下構(gòu)造，為了解月球、地球、太陽系演化提供第一手線索。

南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑

月球背面的南極-艾特肯盆地是太陽系內(nèi)已知最大、最深的盆地，也是個(gè)古老的區(qū)域，保存了原始月殼的巖石。其直徑2500千米，最深處約為13千米，從坑底最深處到最高壁頂處落差大約16千米，含有許多月球初始的信息，保存著太陽系形成之初的寶貴信息。對(duì)其進(jìn)行勘測(cè)有助于解答與月球有關(guān)的一系列重要疑問，有助于研究月球45億年的漫長(zhǎng)歷史，有助于更好地理解組成月球的巖層，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成分和熱演化，有可能揭開“39億年撞擊峰值”的科學(xué)之謎。

月球背面著陸地點(diǎn)，大紅圈為南極-艾特肯盆地，小紅圈為馮·卡門撞擊坑。

人類從未勘探過的馮·卡門撞擊坑位于南極-艾特肯盆地中部，直徑約186千米，具有月球最古老的撞擊特征。馮·卡門撞擊坑的特點(diǎn)：地勢(shì)比較平坦，適合探測(cè)器著落，即所謂的坑大峰小；年齡古老，距今40億年以上，后期可挖掘出月球雨海紀(jì)（月球雨海紀(jì)的年齡約為39.2億年，是大型撞擊形成大量月海時(shí)期）玄武巖樣本；坑在形成之前已經(jīng)存在一個(gè)更大的撞擊坑，其表層或者淺表月壤中很可能有早期撞擊暴露出的深層月幔物質(zhì)，坑底有復(fù)雜的巖漿活動(dòng)，多個(gè)證據(jù)顯示雨海紀(jì)時(shí)馮·卡門坑存在重復(fù)撞擊、月殼多次熔融，形成了今天我們看到的玄武巖層。綜合多個(gè)因素，登陸馮·卡門坑的科學(xué)意義重大，未來獲得的發(fā)現(xiàn)成果也值得期待。

另外，南極-艾特肯盆地的緯度和嫦娥三號(hào)在月球正面落月的緯度基本相同，在這里著陸，既能確保探測(cè)器獲得足夠的能源，又可避免月晝帶來的高溫影響。

試驗(yàn)中的玉兔二號(hào)月球車

玉兔二號(hào)月球車側(cè)視圖

在人類歷史上首次利用月球背面潔凈的電磁環(huán)境進(jìn)行月基低頻射電天文觀測(cè)是嫦娥四號(hào)探測(cè)任務(wù)的最大亮點(diǎn)。由于受到地球電離層的干擾，在地球上難以開展頻率低于10兆赫的射電天文觀測(cè)，在地球軌道甚至月球正面開展的空間射電天文觀測(cè)也受到地球電離層反射和 人工無線電的干擾。月球背面被認(rèn)為是開展低頻射電天文觀測(cè)的絕佳地點(diǎn)，它屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發(fā)射，月夜期間還屏蔽強(qiáng)烈的太陽射電輻射。利用月球背面獨(dú)特的無線電環(huán)境，能開展的觀測(cè)與研究包括太陽低頻射電和月表射電環(huán)境探測(cè)。

玉兔二號(hào)月球車俯視圖

因此，分別在嫦娥四號(hào)著陸器和“鵲橋”中繼星上新增配置了國(guó)內(nèi)新研制的低頻射電頻譜儀及荷蘭的低頻射電探測(cè)儀，用于開展頻率范圍在10兆赫附近的低頻射電天文觀測(cè)，填補(bǔ)人類在0.1～40兆赫射電天文觀測(cè)的空白，有望在太陽風(fēng)激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束的產(chǎn)生機(jī)理等方面取得原創(chuàng)性的成果。

嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)月球車及“鵲橋”中繼星工作示意圖。

嫦娥四號(hào)的著陸方式與工作狀態(tài)跟嫦娥三號(hào)有很大區(qū)別，性能上有很大提升，這是因?yàn)殒隙鹑?hào)著陸區(qū)地形起伏僅800米，相當(dāng)于在華北平原著陸，而嫦娥四號(hào)著陸區(qū)地形起伏達(dá)到6000米，相當(dāng)于在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸。

月球正面有較為寬闊的平原，雖然也有許多隕石坑，但即使是坑底也相對(duì)平整，所以嫦娥三號(hào)是以弧形軌跡緩慢著陸。

月球背面地形相比正面更加復(fù)雜，著陸區(qū)相當(dāng)于嫦娥三號(hào)著陸區(qū)的1/8，隕石坑更多，大坑套小坑，地勢(shì)更陡峭，山峰林立，很難找出再大一些、平坦一些的地方供嫦娥四號(hào)安身。由于嫦娥四號(hào)要在凸凹不平的地方軟著陸，所以需要具有比嫦娥三號(hào)更準(zhǔn)確的著陸精度。嫦娥四號(hào)落區(qū)有海拔10千米高的山，為了不撞到峭壁，嫦娥四號(hào)需具備很高的自主導(dǎo)航和避障功能，以便自主尋找地勢(shì)相對(duì)平坦的地區(qū)進(jìn)行著陸，并只能采取近乎垂直的著陸方式，而且著陸時(shí)間短，航程短，風(fēng)險(xiǎn)高。

著陸區(qū)變化對(duì)任務(wù)的影響主要有：動(dòng)力下降航跡的高程差變大，GNC(制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng))需優(yōu)化動(dòng)力下降策略；著陸區(qū)范圍縮小，探測(cè)器應(yīng)具備高精度著陸控制策略；可能存在地形對(duì)通信和光照的遮擋，探測(cè)器需具備更強(qiáng)的自主功能。另外，嫦娥四號(hào)與地面交流需要通過“鵲橋”中繼星中轉(zhuǎn)，其間會(huì)產(chǎn)生約60秒的延時(shí)，這對(duì)于瞬息萬變的降落過程顯然太久，因此落月全程需要由它自主完成。

嫦娥三號(hào)在長(zhǎng)月夜－180℃的環(huán)境中是不能工作的，而嫦娥四號(hào)將采取新的能源供給方式——同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用技術(shù)，以保證其度過寒冷漫長(zhǎng)的月夜及正常開展探測(cè)工作，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)測(cè)月夜期間淺層月壤的溫度。

嫦娥四號(hào)的玉兔二號(hào)月球車雖與嫦娥三號(hào)攜帶的玉兔號(hào)月球車外形和重量一樣，是全球目前重量最小的月球車，但由于要首次在月球背面軟著陸和巡視，因此針對(duì)月球背面復(fù)雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學(xué)目標(biāo)的實(shí)際需要等因素，對(duì)玉兔二號(hào)月球車進(jìn)行了適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)整，在運(yùn)動(dòng)安全、能源供給、科學(xué)探測(cè)和測(cè)控通信等方面均做了特殊的設(shè)計(jì)。尤其在線路方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，使它更強(qiáng)大，既不怕極熱極冷的“廣寒宮”，又能完成更多新任務(wù)。

此外，嫦娥四號(hào)玉兔二號(hào)月球車還吸收了嫦娥三號(hào)玉兔號(hào)的經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)玉兔號(hào)在執(zhí)行任務(wù)過程中遇到的一些問題，有針對(duì)性地進(jìn)行了電纜設(shè)計(jì)與材料應(yīng)用等技術(shù)的改進(jìn)和試驗(yàn)。玉兔二號(hào)月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗(yàn)，同時(shí)也盡量減少電纜裸露在外的面積，減少電纜的故障風(fēng)險(xiǎn)。

總之，要實(shí)現(xiàn)嫦娥四號(hào)任務(wù)的工程目標(biāo)，需突破四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

一是復(fù)雜地形環(huán)境條件下的安全著陸，二是地月L2點(diǎn)暈軌道設(shè)計(jì)與控制，三是地月L2點(diǎn)遠(yuǎn)距離中繼通信，四是同位素溫差發(fā)電與熱電綜合利用。

月面微型生態(tài)圈結(jié)構(gòu)

雖然月球背面被形象地稱為“暗面”，但月球背面和正面所受到的太陽光照幾乎是相等的。在真空、低重力、極端溫差的外界條件下，植物可否生根、發(fā)芽、開花？嫦娥四號(hào)著陸器上搭載了一個(gè)科普載荷——月面微型生態(tài)圈。月面微型生態(tài)圈是一個(gè)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，總重量3千克。這個(gè)小罐子里放置 了棉花、油菜、馬鈴薯、擬南芥、酵母、果蠅、土壤、水、營(yíng)養(yǎng)液、空氣以及微型相機(jī)和信息傳輸系統(tǒng)等科研設(shè)備，構(gòu)成了簡(jiǎn)單生態(tài)系統(tǒng)，可驗(yàn)證在月面太陽自然光照條件下植物的光合作用原理，觀測(cè)月面低重力條件下動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀況，積累構(gòu)建太空生命保障系統(tǒng)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，并向公眾普及生物學(xué)知識(shí)。據(jù)國(guó)家航天局探月與航天工程中心消息，嫦娥四號(hào)任務(wù)搭載的生物科普載荷試驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束，從拍攝的圖片觀察，棉花的種子有發(fā)芽的跡象。目前，巡視器已進(jìn)入月夜休眠狀態(tài)，搭載的科普試驗(yàn)生物將在全封閉狀態(tài)的生物科普試驗(yàn)載荷罐中慢慢分解，不會(huì)對(duì)月球環(huán)境造成影響。棉花種子的發(fā)芽，驗(yàn)證了人類是能夠在荒蕪的月球表面培養(yǎng)植物并生長(zhǎng)出第一片綠葉。這次的試驗(yàn)，通過研究生物在月球低重力、強(qiáng)輻射、自然光照條件下的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)，可以為人類今后建立月球基地提供研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。

嫦娥四號(hào)上搭載的生物科普試驗(yàn)載荷發(fā)布的最新試驗(yàn)照片，顯示棉花種子已經(jīng)長(zhǎng)出了嫩芽，這也標(biāo)志著嫦娥四號(hào)完成了人類在月面進(jìn)行的首次生物實(shí)驗(yàn)。

嫦娥四號(hào)任務(wù)的“兩器一星”上共配置了6臺(tái)國(guó)內(nèi)研制的科學(xué)載荷和3臺(tái)國(guó)際科學(xué)載荷。它們開展以低頻射電天文觀測(cè)、巡視區(qū)形貌、礦物組份及淺層結(jié)構(gòu)為主的科學(xué)探測(cè)。

嫦娥四號(hào)在月球背面的著陸點(diǎn)附近開展低頻射電天文觀測(cè)和月表形貌、礦物組成、化學(xué)成分、淺層結(jié)構(gòu)、中子及輻射劑量和能量中性原子探測(cè)，有望填補(bǔ)0.1～40兆赫頻段射電天文觀測(cè)的空白，取得對(duì)月球早期演化歷史的新認(rèn)識(shí)。繼續(xù)更深層次、更加全面地科學(xué)探測(cè)月球地質(zhì)、資源等方面的信息，完善月球的檔案資料，有望取得行星際激波、日冕物質(zhì)拋射和空間傳播機(jī)理等方面原創(chuàng)性成果。

嫦娥四號(hào)著陸器、玉兔二號(hào)月球車與“鵲橋”中繼星示意圖

嫦娥四號(hào)任務(wù)特點(diǎn)鮮明，預(yù)期成果顯著，將是一次低成本、短周期、大開放、高效益的示范性空間探測(cè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)三大“壯舉”：首次實(shí)現(xiàn)人類探測(cè)器造訪月球背面；首次實(shí)現(xiàn)人類航天器在地月L2點(diǎn)對(duì)地月中繼通信；為科學(xué)工作者提供月球背面空間科學(xué)研究平臺(tái)，獲得一批重大的原創(chuàng)性科學(xué)研究成果。

例如，利用月球背面屏蔽地球無線電干擾的獨(dú)特條件開展的空間科學(xué)領(lǐng)域最前沿的低頻射電天文觀測(cè)，填補(bǔ)國(guó)際空白。利用月球背面保存的最古老月殼巖石的獨(dú)特條件開展的地質(zhì)特征調(diào)查，有望在國(guó)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(duì)月球早期演化歷史的新認(rèn)知。

嫦娥四號(hào)任務(wù)完成后，我國(guó)將在2019年執(zhí)行探月三期任務(wù)，發(fā)射嫦娥五號(hào)采樣返回器，它由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個(gè)部分組成，完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。

嫦娥四號(hào)是我國(guó)探月工程四期的第一個(gè)任務(wù)，此后實(shí)施的嫦娥六號(hào)計(jì)劃在月球南極進(jìn)行采樣返回任務(wù)，不過具體在月球背面還是正面，還要根據(jù)嫦娥五號(hào)的采樣情況來確定。嫦娥七號(hào)同樣將在月球南極著陸，計(jì)劃對(duì)月球的地形地貌、物質(zhì)成分、空間環(huán)境進(jìn)行一次綜合探測(cè)。而嫦娥八號(hào)除了繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)以外，還要進(jìn)行一些關(guān)鍵技術(shù)的月面試驗(yàn)，比如驗(yàn)證“在月球3D打印房子”的部分技術(shù)，為的是論證一個(gè)科幻的問題——要不要在月球建立一個(gè)科研基地或科研站？