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嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图（圆柱投影） 嫦娥四号探测器在月背软着陆后降落相机拍摄的图像 嫦娥四号着陆器拍摄的着陆点南侧月球背面图像，巡视器将朝此方向驶向月球表面。 2019年1月3日 10：26，嫦娥四号成功着陆于月球背面177.6° E、45.5° S附近的预选着陆区——月球南极-艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin）内的冯·卡门撞击坑（Von Karman Crater），并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，成为世界第一个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，实现首次月背与地球的数据中继通信。 两器分离后，月兔二号在月背留下了人类航天器第一行“脚印”。 长征三号乙运载火箭发射嫦娥四号落月探测器 1 月球背面的深度诱惑  嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图（方位投影） 为何要把嫦娥四号落到月球背面进行探测呢？为什么目前全球已进行过约130多次探月活动，包括用探测器撞击过月球背面，但是从来没有一个探测器在月球背面进行软着陆呢？这要从月球的特性讲起。 玉兔二号巡视器全景相机对嫦娥四号着陆器成像 月陆居多 信息古老 通过已发射的大量绕月探测器人类了解到，月球背面与正面存在很大差异。从整体上讲，月球表面可分为月海和月陆两大地理单元。月海主要是玄武岩，月陆主要是斜长岩。月球上共有22个月海，其中19个分布在月球的正面，月球背面只有东海、莫斯科海和智海3个月海。月球上颜色较浅的部分类似地球上的“陆地”，称为月陆，月陆比月海更古老，保留着更为原始的状态。月球背面颜色较亮，月陆居多，撞击坑分布密度也比正面高，地形更崎岖，其斜长岩高地可能形成于月球岩浆洋的分异结晶，这是月球形成的两大学说之一。对其开展形貌、物质组成、月壤和月表浅层结构的就位综合探测，有望获得月球最古老月壳的物质组成、斜长岩高地的月壤厚度等重要成果。 嫦娥四号着陆器地形地貌相机对玉兔二号巡视器成像 痕迹缺失 据月测地
月球正面（左图）与背面对比图，正面的月海平原颜色较深，地形比较平滑；而月球背面以月陆为主，地形崎岖，南部有一个巨大的撞击盆地。 因为月球背面具有不同于月球正面的地质构造，多“山”多“谷”，所以对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。地球上经历了多次沧海桑田，早期地质历史的痕迹早已消失殆尽，只能寄望于从月球上仍保存完好的地质记录中挖掘地球的早期历史。因此，探测月球背面，既可促进对月球早期演化历史的新认知，对研究地球的早期历史也有重要价值。 月背“观”天 安全宁静 由于地球潮汐锁定、月球的自转与公转周期相同以及天平动的作用等原因，在地球上永远看不到月球的背面，只有约59%的月面能被地球观测到，也就是说，月球背面41%的地方始终受月球阻挡。所以对天文学研究而言，月球背面是一片难得的宁静之地。接收遥远天体发出的射电辐射是研究天体的重要手段，称为射电观测。由于这些天体的距离遥远，电磁信号十分微弱，在地球上，日常生产生活的电磁环境会对射电天文观测产生显著干扰，因此天文学家一直希望找到一片完全宁静的地区，监听来自宇宙深处的微弱电磁信号。月球背面可屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号，因而在那里能监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号，研究恒星起源和星云演化等，有望取得重大天文学成果。 2  精挑细选的着陆点 遵循工程技术上可行、科学上有特色的原则，嫦娥四号的着陆区选在月球背面南极–艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内，这是因为该撞击坑具有较高的科学探测价值，且地势较为平坦，可以同时满足科学和工程上的要求。对该撞击坑的着陆和探测，能够揭示月球形成和演化的一些关键问题，在月球科学研究中具有划时代的意义。嫦娥四号将分析该地区的地表特征和地下构造，为了解月球、地球、太阳系演化提供第一手线索。
南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑 月球背面的南极-艾特肯盆地是太阳系内已知最大、最深的盆地，也是个古老的区域，保存了原始月壳的岩石。其直径2500千米，最深处约为13千米，从坑底最深处到最高壁顶处落差大约16千米，含有许多月球初始的信息，保存着太阳系形成之初的宝贵信息。对其进行勘测有助于解答与月球有关的一系列重要疑问，有助于研究月球45亿年的漫长历史，有助于更好地理解组成月球的岩层，包括内部结构、成分和热演化，有可能揭开“39亿年撞击峰值”的科学之谜。
月球背面着陆地点，大红圈为南极-艾特肯盆地，小红圈为冯·卡门撞击坑。 人类从未勘探过的冯·卡门撞击坑位于南极-艾特肯盆地中部，直径约186千米，具有月球最古老的撞击特征。冯·卡门撞击坑的特点：地势比较平坦，适合探测器着落，即所谓的坑大峰小；年龄古老，距今40亿年以上，后期可挖掘出月球雨海纪（月球雨海纪的年龄约为39.2亿年，是大型撞击形成大量月海时期）玄武岩样本；坑在形成之前已经存在一个更大的撞击坑，其表层或者浅表月壤中很可能有早期撞击暴露出的深层月幔物质，坑底有复杂的岩浆活动，多个证据显示雨海纪时冯·卡门坑存在重复撞击、月壳多次熔融，形成了今天我们看到的玄武岩层。综合多个因素，登陆冯·卡门坑的科学意义重大，未来获得的发现成果也值得期待。 另外，南极-艾特肯盆地的纬度和嫦娥三号在月球正面落月的纬度基本相同，在这里着陆，既能确保探测器获得足够的能源，又可避免月昼带来的高温影响。 3 含金量高的工程及科学目标 工程目标主要有两个： 研制、发射月球中继通信卫星，实现国际首次地月L2点的测控及中继通信； 研制、发射月球着陆器和巡视器，实现国际首次月球背面软着陆和巡视探测。 科学目标主要有三个： 开展月球背面低频射电天文观测与研究； 开展月球背面巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构探测与研究； 试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。
试验中的玉兔二号月球车
玉兔二号月球车侧视图 在人类历史上首次利用月球背面洁净的电磁环境进行月基低频射电天文观测是嫦娥四号探测任务的最大亮点。由于受到地球电离层的干扰，在地球上难以开展频率低于10兆赫的射电天文观测，在地球轨道甚至月球正面开展的空间射电天文观测也受到地球电离层反射和 人工无线电的干扰。月球背面被认为是开展低频射电天文观测的绝佳地点，它屏蔽了地球的无线电干扰、闪电和极光无线电发射，月夜期间还屏蔽强烈的太阳射电辐射。利用月球背面独特的无线电环境，能开展的观测与研究包括太阳低频射电和月表射电环境探测。
玉兔二号月球车俯视图 因此，分别在嫦娥四号着陆器和“鹊桥”中继星上新增配置了国内新研制的低频射电频谱仪及荷兰的低频射电探测仪，用于开展频率范围在10兆赫附近的低频射电天文观测，填补人类在0.1～40兆赫射电天文观测的空白，有望在太阳风激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性的成果。
嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车及“鹊桥”中继星工作示意图。 4 精准落月，技术护航 嫦娥四号的着陆方式与工作状态跟嫦娥三号有很大区别，性能上有很大提升，这是因为嫦娥三号着陆区地形起伏仅800米，相当于在华北平原着陆，而嫦娥四号着陆区地形起伏达到6000米，相当于在崇山峻岭的云贵川地区着陆。 月球正面有较为宽阔的平原，虽然也有许多陨石坑，但即使是坑底也相对平整，所以嫦娥三号是以弧形轨迹缓慢着陆。 月球背面地形相比正面更加复杂，着陆区相当于嫦娥三号着陆区的1/8，陨石坑更多，大坑套小坑，地势更陡峭，山峰林立，很难找出再大一些、平坦一些的地方供嫦娥四号安身。由于嫦娥四号要在凸凹不平的地方软着陆，所以需要具有比嫦娥三号更准确的着陆精度。嫦娥四号落区有海拔10千米高的山，为了不撞到峭壁，嫦娥四号需具备很高的自主导航和避障功能，以便自主寻找地势相对平坦的地区进行着陆，并只能采取近乎垂直的着陆方式，而且着陆时间短，航程短，风险高。 着陆区变化对任务的影响主要有：动力下降航迹的高程差变大，GNC(制导、导航与控制系统)需优化动力下降策略；着陆区范围缩小，探测器应具备高精度着陆控制策略；可能存在地形对通信和光照的遮挡，探测器需具备更强的自主功能。另外，嫦娥四号与地面交流需要通过“鹊桥”中继星中转，其间会产生约60秒的延时，这对于瞬息万变的降落过程显然太久，因此落月全程需要由它自主完成。 嫦娥三号在长月夜－180℃的环境中是不能工作的，而嫦娥四号将采取新的能源供给方式——同位素温差发电与热电综合利用技术，以保证其度过寒冷漫长的月夜及正常开展探测工作，在国内首次实测月夜期间浅层月壤的温度。 嫦娥四号的玉兔二号月球车虽与嫦娥三号携带的玉兔号月球车外形和重量一样，是全球目前重量最小的月球车，但由于要首次在月球背面软着陆和巡视，因此针对月球背面复杂的地形条件、中继通信新的需求、极大的温差和科学目标的实际需要等因素，对玉兔二号月球车进行了适应性更改和有效载荷配置调整，在运动安全、能源供给、科学探测和测控通信等方面均做了特殊的设计。尤其在线路方面进行了设计改进和试验验证，使它更强大，既不怕极热极冷的“广寒宫”，又能完成更多新任务。 此外，嫦娥四号玉兔二号月球车还吸收了嫦娥三号玉兔号的经验。针对玉兔号在执行任务过程中遇到的一些问题，有针对性地进行了电缆设计与材料应用等技术的改进和试验。玉兔二号月球车仅在电缆钩挂、摩擦方面就做了上千次试验，同时也尽量减少电缆裸露在外的面积，减少电缆的故障风险。 总之，要实现嫦娥四号任务的工程目标，需突破四项关键技术： 一是复杂地形环境条件下的安全着陆，二是地月L2点晕轨道设计与控制，三是地月L2点远距离中继通信，四是同位素温差发电与热电综合利用。 5 微型生态圈的第一株绿芽
月面微型生态圈结构 虽然月球背面被形象地称为“暗面”，但月球背面和正面所受到的太阳光照几乎是相等的。在真空、低重力、极端温差的外界条件下，植物可否生根、发芽、开花？嫦娥四号着陆器上搭载了一个科普载荷——月面微型生态圈。月面微型生态圈是一个由特殊铝合金材料制成的圆 柱形罐子，高18厘米，直径16厘米，净容积约0.8升，总重量3千克。这个小罐子里放置 了棉花、油菜、马铃薯、拟南芥、酵母、果蝇、土壤、水、营养液、空气以及微型相机和信息传输系统等科研设备，构成了简单生态系统，可验证在月面太阳自然光照条件下植物的光合作用原理，观测月面低重力条件下动植物的生长状况，积累构建太空生命保障系统的技术与经验，并向公众普及生物学知识。据国家航天局探月与航天工程中心消息，嫦娥四号任务搭载的生物科普载荷试验已经结束，从拍摄的图片观察，棉花的种子有发芽的迹象。目前，巡视器已进入月夜休眠状态，搭载的科普试验生物将在全封闭状态的生物科普试验载荷罐中慢慢分解，不会对月球环境造成影响。棉花种子的发芽，验证了人类是能够在荒芜的月球表面培养植物并生长出第一片绿叶。这次的试验，通过研究生物在月球低重力、强辐射、自然光照条件下的生长发育状态，可以为人类今后建立月球基地提供研究基础和经验。
嫦娥四号上搭载的生物科普试验载荷发布的最新试验照片，显示棉花种子已经长出了嫩芽，这也标志着嫦娥四号完成了人类在月面进行的首次生物实验。 6 举世瞩目的三大壮举 嫦娥四号任务的“两器一星”上共配置了6台国内研制的科学载荷和3台国际科学载荷。它们开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。 嫦娥四号在月球背面的着陆点附近开展低频射电天文观测和月表形貌、矿物组成、化学成分、浅层结构、中子及辐射剂量和能量中性原子探测，有望填补0.1～40兆赫频段射电天文观测的空白，取得对月球早期演化历史的新认识。继续更深层次、更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息，完善月球的档案资料，有望取得行星际激波、日冕物质抛射和空间传播机理等方面原创性成果。
嫦娥四号着陆器、玉兔二号月球车与“鹊桥”中继星示意图 嫦娥四号任务特点鲜明，预期成果显著，将是一次低成本、短周期、大开放、高效益的示范性空间探测任务，实现三大“壮举”：首次实现人类探测器造访月球背面；首次实现人类航天器在地月L2点对地月中继通信；为科学工作者提供月球背面空间科学研究平台，获得一批重大的原创性科学研究成果。 例如，利用月球背面屏蔽地球无线电干扰的独特条件开展的空间科学领域最前沿的低频射电天文观测，填补国际空白。利用月球背面保存的最古老月壳岩石的独特条件开展的地质特征调查，有望在国际上首次建立集地形地貌、浅层结构、物质成分于一体的综合地质剖面和演化模型，获得对月球早期演化历史的新认知。 嫦娥四号任务完成后，我国将在2019年执行探月三期任务，发射嫦娥五号采样返回器，它由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分组成，完成探月工程的重大跨越——带回2千克月球样品。 嫦娥四号是我国探月工程四期的第一个任务，此后实施的嫦娥六号计划在月球南极进行采样返回任务，不过具体在月球背面还是正面，还要根据嫦娥五号的采样情况来确定。嫦娥七号同样将在月球南极着陆，计划对月球的地形地貌、物质成分、空间环境进行一次综合探测。而嫦娥八号除了继续进行科学探测试验以外，还要进行一些关键技术的月面试验，比如验证“在月球3D打印房子”的部分技术，为的是论证一个科幻的问题——要不要在月球建立一个科研基地或科研站？ 责任编辑 张恩红 |
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