嫦娥四号动力下降（电脑合成示意图）

 

2018年12月8日发射后，嫦娥四号很快达到了第二宇宙速度，直奔月球而去。在经过6天的飞行之后，12月12日就来到了月球附近，并且实施了近月点“太空刹车“，并成功被月球的引力捕获，进入距月面平均高度约100公里的环月轨道。

 

2018年12月30日，在地面工作人员的遥控下，嫦娥四号又实施“太空刹车”，由距月面平均高度约100公里的环月轨道，成功进入近月点高度约15公里、远月点高度约100公里的椭圆环月轨道，为择机着陆做准备。

 

2019年1月3日，在高度15公里的轨道上，嫦娥四号上的发动机反推刹车，减小轨道速度，进入动力下降阶段。由于月球上没有空气，只能采用火箭发动机反推的方式徐徐下降。如上图所示，动力学下降阶段可分为以下步骤：

 

通过主减速阶段使嫦娥四号轨道速度降低，并下降至8公里的高度；

 

通过快速调整期进入落月姿态；

 

在反推火箭发动机的托举下，逐渐下降高度至100米，稍作悬停，对着陆区域进行检测寻找安全的落点；

 

进入躲避障碍阶段，最后30米缓速落月。

 

相对于嫦娥三号，嫦娥四号着陆区地形复杂，难度更大。

 

在降落到目标区域后，着陆器和巡视器组合体要完成一系列步骤：着陆器太阳能帆板打开，着陆器转移机构解锁展开，巡视器太阳帆板、桅杆展开，巡视器移动到着陆器转移机构上，着陆器转移机构解锁、下降，巡视器从着陆器转移到月面，完成两器互拍后分别展开探测工作。

 

 

冯·卡门环形山位于月球背面的位置

 

嫦娥四号的着陆点位于月球背面南极的冯·卡门环形山（Von Kármán crater），冯·卡门环形山是一座巨大的古撞击坑，直径大约180公里，形成于约45.5亿-39.2亿年前，以著名的匈牙利裔美籍工程师西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán）的名字命名。值得一提的是，冯·卡门是钱学森的导师。在刚刚形成的时候，冯·卡门环形山内曾经流淌着岩浆，导致南部区域非常平坦。环形山中心区域有一个小山峰，该山峰与北部崎岖的地形相连。

 

NASA月球轨道勘测飞行器（LRO）拍摄的冯·卡门环形山

 

冯·卡门环形山位于更大的艾特肯盆地（Aitken basin）中，它以美国宇航员罗伯特·格兰特·艾特肯的名字命名。该盆地直径大约2500公里，深13公里，从坑底最深处到最高处落差大约16公里，这是太阳系内已知的最大、最古老的撞击坑。其90%的面积都分布在月球背面，只有一小部分在月球正面。该盆地保存了原始月壳的岩石，收集这个区域岩石的数据可以帮助科学家们更好地理解月球的组成，具有极高的科学研究价值。

 

艾特肯盆地盆地直径大约2500公里，相比之下，月球的直径仅3500公里可见其巨大。红色代表高海拔地区、蓝色为低海拔地区（伪彩图）

 

为了保证嫦娥四号平稳降落，着陆地点必须要足够平坦。此外，还要有适合的光照，冯·卡门环形山所在的纬度既能够保证有充足的光照，又不至于被炽热的阳光直射。由于是在月球背面着陆，在着陆器动力下降的过程中是无法与地球直接通讯的，要依靠“鹊桥”中继卫星进行信号转接工作。

 

月球背面与月球正面的地形有很大不同。在月球的正面，分布有大量的月海，占正面总面积的31%。月海并不是月球上的海洋，而是指月面上比较低洼的平原，就是用肉眼能够看到的那些黑暗色的斑块。阿波罗11号宇航员就在名叫“静海”的地方登陆。在月球背面则布满了大大小小的环形山，月海面积仅占1%。1968年，阿波罗8号宇航员William Anders在飞过月球背面时这样形容他看到的景象：月球的背面看起来就像是我家孩子们玩了一段时间的沙堆，到处坑坑洼洼，乱糟糟一片。

 

 

要想解释清楚月球为什么有个背面，就要从潮汐力讲起。当我们在海边的时候，就能直观看到潮涨潮落现象，这是由于太阳和月球对地球的潮汐力。当潮水进入喇叭口的地形中，水位上涨更加明显，例如我国钱塘江大潮。

 

由于月球比太阳近得多，对地球的潮汐力大约是太阳的两倍，因此我们着重考虑月球对地球的潮汐力。地球和月球其实可以看做一个双星系统，月球的非均匀引力场加上地球绕系统质心的转动，使得地球靠近月球的一侧和远离月球的一侧都会隆起一个“鼓包”，这两个“鼓包”都会对地球自转有刹车作用，这也是为什么地球会越转越慢的原因，过几年就会增加一个闰秒。同理，地球的潮汐力以同样的方式作用到月球，使月球的自转逐渐变慢，最终使得自转周期等于公转周期，不再继续变慢，这种现象在天文学上叫“潮汐锁定”。

 

冥王星和卡戎的自转都已经潮汐锁定，它们两个只能每天面面相觑，彼此看不到对方的后背。潮汐锁定后的月球，就只有一面朝向地球了，就好像一个人围绕你一圈圈看一样，你只能看到他的正面，无法看到后背。

 

当然，由于月球存在一种”天平动“的现象，在地球上能够看到月球的面积可达59%。主要是由于月球的轨道其实是一个椭圆以及自转轴与白道面有一个倾角造成的。

 

1959年，人类首次拍摄到月球背面照片

 

早在1959年，前苏联的“月球三号”探测器就首次拍摄到了月球背面，并把图像成功传回地球，并制作了世界第一个月球仪。1965年，前苏联“探测器三号”在飞掠月球时，又传回了25张更清晰的月球背面的照片，从照片中可以看到有一条长数百公里的链状排列的环形山。根据这些珍贵的照片，新的月球仪包含了月球95%的表面。

 

阿波罗8号拍摄的月球背面

 

我们都知道阿波罗11号飞船完成人类首次载人登月的壮举，阿姆斯特朗的“个人一小步，人类一大步”的名言仿佛在脑海回荡。在此之前，1968年12月阿波罗8号首次进入月球轨道，完成环月飞行后返回地球，三位宇航员成为第一次用肉眼看到月球背面的人类。从那时起，飞往月球的宇航员都曾在月球轨道上空亲眼看到过月球背面。

 

1962年，美国宇航局的“徘徊者”月球探测器由于计算机出现故障无法工作，最终撞击在月球背面粉身碎骨，成了首颗在月球背面硬着陆的探测器，当然是没有发回任何有用的资料。

 

1966年到1967年，美国宇航局通过“月球轨道飞行器”项目的系列探测器获取了大量有关月球背面的信息。

 

2010年，美国宇航局的“月球勘测轨道飞行器”（LRO），拍摄到了更加清晰的月球背面照片

 

 

1、实现人类首次月球背面软着陆与巡视勘察。

 

回顾整个人类探月史，无论美国还是前苏联，除了美国失灵的一枚探测器坠毁在月球背面外，人类的月表探测都发生在月球正面。

 

2、实现月球背面探测器与地面站间的中继卫星通信

 

嫦娥四号探测器能够在月球背面着陆，关键就在于科学家提前把一颗叫“鹊桥”的中继卫星放在了地球和月球连线外侧的“拉格朗日点”上（L2）。有了这颗卫星做通讯保障，探测器才敢在月球背面着陆，这也是人类首次。

 

3、国际首次实现在月球背面的甚低频射电天文观测

 

在太空中，无法阻挡地球无线电的干扰，而月球的背面则是观测的绝佳场所。月球背面是公认的低频射电天文的绝佳场所。嫦娥四号或许能为我们打开一扇观测宇宙的新窗口。

 

4、入轨精度达到国际先进水平

 

嫦娥四号工程分为中继卫星和探测器两部分，中继卫星“鹊桥”是由长征四号丙运载火箭送到地-月L2点，探测器则由长征三号乙运载火箭送入轨道。同嫦娥三号相比，需要运载火箭将探测器送入更高的地月转移轨道，而其轨道精度要求基本不变。受发射时间等因素的影响，发射窗口数量减少，嫦娥四号工程对运载火箭提出了更高精度和可靠性要求。

 

5、国内首次实现同位素核电池的太空应用

 

嫦娥四号首次采用了同位素核电池（钚-238）供电方式，但还只是辅助作用，主要还是靠太阳能板供电。据科学家介绍，这次使用的核电源功率还比较小，仅2瓦，与电脑上的USB口供电能力差不多，仅在月夜采集温度的时候采用。

 

6、国际上首次开展超地月距离的反射式激光测距试验

 

在阿波罗登月期间，宇航员在月面上放置了多个激光角反射器，为人类研究月球的运动情况起了极大作用。地球和月球的距离是38万公里，而中继星与地球的距离是45万公里，还没有任何国家在这个距离上安装激光角反射器，而我们的做到了。

 

7、国际首次开展月球背面中子及辐射剂量、中性原子分布和地-月L2点低频射电天文观测研究。

 

嫦娥四号任务包含中继星和探测器两次发射任务，在中继星和探测器上共有三个国际载荷，分别是着陆器搭载的月球中子及辐射剂量探测仪、巡视器搭载的月球中性原子探测仪以及中继星搭载的中荷低频射电谱仪，他们将分别首次开展月球背面中子及辐射剂量、中性原子分布和地月L2点低频射电天文观测等科学研究。

 

 

中国嫦娥探月工程无人月球探测，分为“绕、落、回”三个阶段。

 

1、“绕”就是发射月球卫星，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”已经实现；

 

2、“落”就是在月球表面软着陆，“嫦娥三号”已实现在月球的正面软着陆，本次嫦娥四号实现了在月球背面软着陆，在月球背面开展科学探测工作，这在全球尚属首次。虽然是嫦娥三号的备份星，但却取得了多方面的创新；

 

3、“回”就是从月球表面采样返回地球，这样等待后续”嫦娥五号“和”嫦娥六号“去实现。

 

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