“嫦娥四號是人類首個在月球背面進行著陸和巡視的探測器。這次任務也是2018年國際上最具影響力的深空探測科學研究工程。”中國航天科技集團有限公司五院嫦娥四號總指揮赫榮偉表示。

12月8日，長征三號乙運載火箭成功將嫦娥四號探測器送入地月轉移軌道，踏上了人類首次月球背面著陸探測的旅程。

曾是“備份”，實現“首飛”

2016年1月14日，嫦娥四號任務通過探月工程重大專項領導小組審議，正式開始實施。工程任務中的運載火箭系統、嫦娥探測器系統及“鵲橋”中繼衛星均由中國航天科技集團有限公司抓總研制。

嫦娥四號原先是嫦娥三號的備份探測器，但2016年通過探月工程重大專項審議后，其有了新的使命——對月球背面進行軟著陸探測。“但嫦娥四號絕不是嫦娥三號的復制品，它所承擔的任務也不是重復它的前任，從某種意義上來說是一次真正意義上的‘首飛’。”中國航天科技集團有限公司五院嫦娥四號總設計師孫澤洲指出。

嫦娥三號任務的科學目標是開展月球形貌與地質構造調查，開展月表物質成分和可利用資源調查；進行月球內部的結構研究和日-地-月空間環境探測與月基天文觀測。簡言之，就是“測月、巡天、觀地”。而“嫦娥四號”任務的科學目標是進行月基低頻射點天文觀測與研究；開展月球背面巡視區地形地貌和礦物組分探測與研究；實施月球背面巡視區淺層結構探測與研究。

不同的科學目標決定了，和嫦娥三號相比，嫦娥四號的探測儀器也會有區別。雖然嫦娥四號的基本架構繼承了嫦娥三號，但科技人員根據著陸區域和科學目標的變化，對它攜帶的科學載荷做了很大的調整，為了完成這些科學探測任務，嫦娥四號把8臺有效載荷帶到了月球背面馮·卡門撞擊坑。

著陸器攜帶4臺有效載荷和1臺科普載荷，主要有：地形地貌相機，用于獲取著陸區高分辨率彩色圖像；降落相機，用于著陸過程中獲取著陸區地形地貌特征和圖像；低頻射電頻譜儀，用于進行太陽爆發產生的低頻電場探測和著陸區上空的月球電離層探測；德國基爾大學研制的月球中子及輻射劑量探測儀，用于測量能量中性粒子輻射和著陸器附近月壤中的相關物質含量；科普載荷用于進行生物科普試驗。

巡視器（俗稱月球車）上共攜帶4臺有效載荷。主要有：全景相機，用于進行近距離景物 勘查，地形地貌分析，地質構造特征分析；紅外成像光譜儀，用于進行巡視區月表礦物化學成分探測和分布研究；測月雷達，用于進行巡視路線上月壤厚度、結構探測和進行巡視路線上月殼淺層結構探測；瑞典空間物理所研制的中性原子探測儀，用于進行實地觀測月表濺射能量中性原子通量和研究靠近月表的散射能量中性原子分布函數。

“通過這些探測器，一方面可以推動我國月球天文觀測科學研究的不斷深入；另一方面可以，推動月球資源的開發利用研究的深入。”嫦娥四號研發人員介紹說。

有三大技術難點

要完成這個“前無古人”的月球背面之旅，嫦娥四號面臨主要三個主要技術難點：一是地月拉格朗日L2平動點軌道精確設計與控制；二是地月拉格朗日L2點遠距離數據中繼；三是復雜地形環境下的安全著陸等。突破這些技術難點，將實現三個國際首次、一個國內首次。即，國際上首次月球背面軟著陸和巡視探測，國際上首次月球拉格朗日L2點中繼與探測，國際上首次月基低頻射點天文觀測，國內首次實測月夜期間淺層月壤溫度。這一重大科學創新工程的實施，無疑將推動航天技術和其他科學領域相關技術的持續發展。

深空測控通信系統是人類與深空探測器聯系的通道和紐帶，在深空探測任務中起著關鍵的作用。由于深空任務周期長、通信時延大、鏈路帶寬有限、信號微弱、數據更加關鍵可貴等一系列原因，使得深空測控通信實現起來更為困難，無論對星上設備還是對地面設備等都帶來新的挑戰。通信方式不同是嫦娥四號與嫦娥三號相比最大的不同。嫦娥三號與地球的通信聯絡由地面站和海上遠洋測量船來完成。而由于月球正面的遮擋，月球背面沒有通信信號，無法與地球實施適時通信，因此，嫦娥四號與地面的通信聯絡要由“鵲橋”中繼衛星擔任，借助架設在地月拉格朗日L2點的中繼衛星，實施與地面的通信信號“接力”。

2018年5月21日，第一次發射——嫦娥四號中繼星“鵲橋”由長征四號丙運載火箭成功發射升空。經過1次中途修正，于5月25日到達近月點，在成功實施近月制動后，順利進入月球至地月拉格朗日L2點的轉移軌道。6月14日，“鵲橋”中繼衛星實施軌道捕獲，進入環繞距月球約6.5萬千米的地月拉格朗日L2點的Halo使命軌道，成為世界首顆運行在地月拉格朗日L2點Halo軌道的衛星，在此軌道陸續開展在軌測試和中繼通信鏈路聯試后，等待“嫦娥”的到來。

“鵲橋”中繼衛星攜帶了一副展開后口徑達近5米的傘狀天線，在人類上天的深空探測器上，還沒有這么大口徑的通信天線，它直指地球在月球背面和地球之間架設了一個宏偉的信息高速橋梁。除了這副最大天線外，研制人員還給它配備了多副小一些的天線，通過這些天線，不僅可以將地面的測控指令說給巡視器聽，還可以聽清楚巡視器都“說了些啥”。

為迎接嫦娥四號的到來，2018年11月9日~11月23日，五院研制人員又對“鵲橋”中繼星進行了一次在軌的“體檢”。“體檢”報告顯示，“鵲橋”非常健康！中繼星將在使命軌道上繼續“遨游”，靜待嫦娥四號探測器，屆時，嫦娥四號將在數據中繼衛星的引導下，安全著陸在月球背面南極馮·卡門撞擊坑附近。

嫦娥四號首選著陸區為月球南極馮·卡門撞擊坑的艾特肯盆地。“與嫦娥三號的虹灣著陸區相比，虹灣的整體趨勢較為平坦，但艾特肯盆地的地形就比較崎嶇，撞擊坑大而且分布密集,這就對探測器著陸區的選擇和著陸精度提出了更高的要求。” 中國航天科技集團有限公司八院（上海航天技術研究院）嫦娥四號副總指揮兼副總設計師張玉花指出，“由于著陸區在月球背面，使得著陸器和巡視器無法同地球直接通信，必須用中繼星中繼的方式；同時在動力下降過程中，著陸器也不能對地直接通信，只能通過中繼星進行上下行操作，這些都是此次任務的難點。”

此外，巡視器還要面對月球表面晝夜溫差變化大、低重力環境以及細小微塵的污染等問題。比如，月球的重力只有地球的1/6，我們要針對這種低重力環境，對巡視器的移動速度、距離、越障能力等狀態和參數進行充分的應對。

張玉花介紹說，此次嫦娥四號八院承擔了嫦娥四號著陸器、巡視器五個半分系統的研制任務，包括巡視器移動分系統、結構與機構分系統、測控數傳分系統、電源分系統、綜合電子分系統移動/機構控制與驅動組件、著陸器一次電源分系統。