“嫦娥家族”的探月之旅

■文/五軒

自古以來(lái)，中國(guó)人就對(duì)月亮懷有一份特殊的情感，流傳著嫦娥奔月等神話傳說(shuō)和“舉杯邀明月，對(duì)影成三人”等優(yōu)美的詩(shī)句。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸了解了月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，也是離地球最近的一個(gè)天體，它跟地球有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。研究月球有利于更好地認(rèn)識(shí)和保護(hù)地球，而且月球還蘊(yùn)含著宇宙的奧秘和很多豐富的礦產(chǎn)資源。因此，開(kāi)展地外天體探測(cè)，月球是首選。

2004 年，我國(guó)正式開(kāi)展月球探測(cè)工程，并賦予它一個(gè)夢(mèng)幻般的名字——“嫦娥工程”， 并將它規(guī)劃為三大步，簡(jiǎn)而言之就是“繞”“落”“回”。目前，我國(guó)探月工程通過(guò)6 次發(fā)射，先后完成了嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)、月地高速再入返回試驗(yàn)和嫦娥四號(hào)共五次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了“五戰(zhàn)五捷”，圓滿完成了探月工程的前兩步“繞”和“落”。而今年即將發(fā)射的嫦娥五號(hào)，將實(shí)現(xiàn)“回”這一步。

下面，我們一起看看我國(guó)一路走來(lái)的精彩紛呈的探月之旅吧！

“大姐”嫦娥一號(hào)：帶大家看看月球的樣子

作為“繞、落、回”三步走的第一步，首期繞月工程就是研制和發(fā)射探月衛(wèi)星——嫦娥一號(hào)。

月球距離地球38 萬(wàn)千米，這是一個(gè)中國(guó)人從未抵達(dá)的目標(biāo)，航天人面臨的也是前所未有的挑戰(zhàn)。繞月飛行，軌道設(shè)計(jì)是一大難題。由于當(dāng)時(shí)火箭的運(yùn)載能力不足以把衛(wèi)星直接送入月球軌道，因而必須先讓衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道，再通過(guò)幾次變軌進(jìn)入月球軌道。航天人攻克軌道一系列技術(shù)難題，突破并掌握一大批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，創(chuàng)造了中國(guó)航天器研制歷史上的又一個(gè)奇跡。

2007 年10 月24 日，嫦娥一號(hào)從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空，經(jīng)過(guò)112 小時(shí)飛行，行程206 萬(wàn)千米，最終于10 月31 日進(jìn)入月球軌道，在200 千米環(huán)月軌道上繞月飛行，順利開(kāi)展了各項(xiàng)繞月探測(cè)任務(wù)，并獲取了中國(guó)第一幅全月球立體圖像以及月球表面14 種元素含量和物質(zhì)分布等大量科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)，圓滿完成“繞”月任務(wù)。

與嫦娥一號(hào)一起奔月的，還有包括《歌唱祖國(guó)》《愛(ài)我中華》《但愿人長(zhǎng)久》在內(nèi)的30 首歌曲、戲曲片段以及《義勇軍進(jìn)行曲》《東方紅》2 首特別選用歌曲。2007 年11 月26 日，嫦娥一號(hào)開(kāi)始在環(huán)月軌道上“歌唱”，人們能夠通過(guò)電視和廣播收聽(tīng)來(lái)自38 萬(wàn)千米之外的美妙歌聲。

嫦娥一號(hào)繞月探測(cè)的圓滿成功，標(biāo)志著中國(guó)邁入了深空探測(cè)的第一步。2009 年3 月1 日，嫦娥一號(hào)受控撞月，在軌工作494 天，實(shí)現(xiàn)了38 萬(wàn)千米的遠(yuǎn)程測(cè)控通信，掌握了繞月探測(cè)技術(shù)，圓滿實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)和科學(xué)目標(biāo)，初步構(gòu)建了月球探測(cè)的航天工程體系，為我國(guó)月球探測(cè)后續(xù)工程和深空探測(cè)奠定了基礎(chǔ)，成為我國(guó)繼東方紅一號(hào)衛(wèi)星和神舟五號(hào)飛船之后航天發(fā)展史上的第三個(gè)里程碑。

嫦娥一號(hào)拍攝的全月球正射影像圖

“二姐”嫦娥二號(hào)：小行星探測(cè)的先行者

作為探月二期工程的先導(dǎo)星，嫦娥二號(hào)于2010 年10 月1 日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。嫦娥二號(hào)原本是嫦娥一號(hào)的備份星。嫦娥一號(hào)成功完成繞月任務(wù)后，經(jīng)論證，嫦娥二號(hào)成為嫦娥三號(hào)落月任務(wù)的先導(dǎo)星，主要是用作試驗(yàn)、驗(yàn)證部分新技術(shù)和新設(shè)備，降低后期工程的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)深化月球科學(xué)探測(cè)。

成功發(fā)射以后，嫦娥二號(hào)帶給我們很多驚喜，首次實(shí)現(xiàn)“一探三”。

一個(gè)是在100 千米環(huán)月軌道上，對(duì)全月球進(jìn)行了高精度立體成像，首次獲得迄今最高的7 米分辨率全月球影像圖，并降至15 千米的近月軌道，對(duì)嫦娥三號(hào)預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行了詳查。第二個(gè)是2011年8 月，嫦娥二號(hào)飛抵距地球150 萬(wàn)千米的日地拉格朗日L2 點(diǎn)，開(kāi)展了環(huán)繞L2 點(diǎn)的空間探測(cè)，使我國(guó)成為第三個(gè)實(shí)現(xiàn)日地拉格朗日L2 點(diǎn)和小行星探測(cè)的國(guó)家。第三個(gè)是2012 年12 月，飛抵距地球700 萬(wàn)千米處，實(shí)現(xiàn)了與4179 號(hào)小行星的交會(huì)飛越探測(cè)，首次獲得了該小行星的高清圖像。

從備份星到先導(dǎo)星，從月球探測(cè)衛(wèi)星到太陽(yáng)系人造小行星，嫦娥二號(hào)不斷華麗蛻變，創(chuàng)造一個(gè)又一個(gè)奇跡，帶給人們一個(gè)又一個(gè)驚喜。國(guó)外媒體和航天專家評(píng)述說(shuō)，嫦娥二號(hào)把潛力發(fā)揮到了極致，使中國(guó)深空探測(cè)又向前邁進(jìn)了一大步。

“三姐”嫦娥三號(hào)：實(shí)現(xiàn)落月夢(mèng)想

嫦娥三號(hào)探測(cè)器于2013 年12 月2 日在中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭送入太空，12 月14 日成功軟著陸于月球虹灣區(qū)，玉兔號(hào)月球車(chē)與著陸器成功分離，并開(kāi)展了月面巡視探測(cè)活動(dòng)，獲得了大量數(shù)據(jù)。這是中國(guó)航天器首次在地外天體實(shí)現(xiàn)軟著陸。

嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)首次：在國(guó)際上首次采用全自主避障的軟著陸技術(shù)?？蒲腥藛T研制了大量新的敏感器：微波測(cè)距、測(cè)速敏感器、激光測(cè)距敏感器、激光三維成像敏感器和光學(xué)成像敏感器，都是為了確保探測(cè)器實(shí)現(xiàn)安全著陸，由此也帶動(dòng)了我國(guó)很多敏感器的研制工作。

因?yàn)樵虑驔](méi)有大氣層，不能使用降落傘減速，只能是一邊降落，一邊用變推力發(fā)動(dòng)機(jī)把速度降下來(lái)。由于在落月過(guò)程中嫦娥三號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化很大，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法達(dá)到所需的深度節(jié)流能力，所以科研人員研制了1 500～7 500N 的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)（嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)是用490N 發(fā)動(dòng)機(jī)）。除了用于軟著陸，它還用于奔月過(guò)程中的軌道修正和進(jìn)入月球軌道的軌道制動(dòng)。

由于月球表面凹凸不平，為避開(kāi)大石頭和大坑，在距月面約100 米時(shí)，嫦娥三號(hào)能夠懸停和自主避障，這項(xiàng)技術(shù)是世界領(lǐng)先的。另外，著陸器的4 條著陸腿的設(shè)計(jì)也很重要，每條腿上有2 根拉桿緩沖器，沒(méi)有液壓裝置，沖擊能量全部靠材料吸收，解決“落”的問(wèn)題。

由于發(fā)生故障，玉兔號(hào)頑強(qiáng)地工作了2 年9 個(gè)月后向大家“道別”，永遠(yuǎn)留在了月球上。作為中國(guó)在月球上留下的第一個(gè)印記，玉兔號(hào)深受網(wǎng)友喜愛(ài)。希望這個(gè)中國(guó)航天歷史上的“功臣”，會(huì)在某一天被帶回地球。

嫦娥三號(hào)通過(guò)全景相機(jī)、地形地貌相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)等科學(xué)設(shè)備，對(duì)月球、宇宙和地球進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)，獲得大量寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)創(chuàng)造了全世界在月工作最長(zhǎng)紀(jì)錄。目前，嫦娥三號(hào)著陸器部分科學(xué)載荷仍在超期正常工作。

“四姐”嫦娥四號(hào)：探索月球背面之謎

嫦娥四號(hào)也演繹了一個(gè)備份逆襲的勵(lì)志大戲。它原本是嫦娥三號(hào)的備份星，后被賦予了新的使命——實(shí)現(xiàn)人類(lèi)首次月球背面軟著陸和巡視勘察。

由于被地球潮汐鎖定，月球始終只有相同的一面朝向地球，所以人們?cè)诘厍蛏嫌肋h(yuǎn)只能看到月球的正面，背面則看不見(jiàn)。在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)里，人類(lèi)發(fā)射了數(shù)十個(gè)月球探測(cè)器，沒(méi)有一個(gè)在月球背面著陸。要實(shí)現(xiàn)航天器在月球背面軟著陸并不容易，地月之間通信是探索月球背面的首要難題。由于月球整體的遮擋，月球背面與地面無(wú)法建立直接、實(shí)時(shí)的通信。對(duì)于航天測(cè)控來(lái)說(shuō)，這里是測(cè)控的禁區(qū)。

我國(guó)科研工作者們?yōu)槠平膺@一難題給出了獨(dú)特的中國(guó)方案。2018 年5 月21 日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了“鵲橋”中繼衛(wèi)星。“鵲橋”工作在距月球約6.5 萬(wàn)千米的地月拉格朗日L2 點(diǎn)的使命軌道上，在地面和月球背面之間架起了信息“天橋”。

不過(guò)，這是一次定時(shí)定點(diǎn)的著陸，著陸點(diǎn)是否有山脈遮擋陽(yáng)光、阻礙通信，著陸的時(shí)機(jī)選取是否恰當(dāng)……很多因素都可能影響嫦娥四號(hào)落月成敗。經(jīng)過(guò)科研人員多方面努力，嫦娥四號(hào)探測(cè)器2018 年12 月8 日成功發(fā)射，2019 年1 月3 日，在距月面15 千米高度實(shí)施動(dòng)力減速下降，成功精準(zhǔn)著陸在月球背面馮·卡門(mén)撞擊坑預(yù)選著陸區(qū)。此后，先后完成玉兔二號(hào)月球車(chē)與著陸器的轉(zhuǎn)移分離、相互拍照，分別開(kāi)展巡視和就位探測(cè)，任務(wù)取得圓滿成功，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)首次月球背面著陸探測(cè)。

嫦娥四號(hào)取得了很重要的一些成果，不僅獲得了月球背面巡視區(qū)的地形地貌和礦物情況，揭開(kāi)了古老月背的神秘面紗，還開(kāi)展了月表淺層結(jié)構(gòu)研究和月基低頻射電天文觀測(cè)研究。

知識(shí)鏈接：實(shí)現(xiàn)載人登月，我國(guó)還需邁過(guò)“三道關(guān)”

當(dāng)前，中國(guó)探月工程依然處于無(wú)人探月階段。但無(wú)人探月是載人登月的前奏，載人登月是中國(guó)航天人多年以來(lái)孜孜以求的目標(biāo)。據(jù)了解，目前我國(guó)要實(shí)現(xiàn)載人登月還需邁過(guò)“三道關(guān)”：第一關(guān)是研發(fā)出重型運(yùn)載火箭，能夠把人和登月艙送到月球；第二關(guān)是解決人來(lái)往地月的生命保障、安全以及工作條件；第三關(guān)是進(jìn)行更多的地面條件建設(shè)，確保各項(xiàng)試驗(yàn)都充分驗(yàn)證。

2020 年10 月11 日和10 月10 日，嫦娥四號(hào)著陸器和玉兔二號(hào)巡視器分別喚醒，迎來(lái)了第23 月晝工作期。在這個(gè)月晝期間，玉兔二號(hào)繼續(xù)向前行駛，并開(kāi)展同步探測(cè)。截至發(fā)稿，它們已經(jīng)在月球背面順利度過(guò)640 多個(gè)地球日。玉兔二號(hào)月球車(chē)刷新了人類(lèi)月面工作時(shí)間最長(zhǎng)的紀(jì)錄。

“小五”嫦娥五號(hào)：采樣返回地球

今年年底，我國(guó)即將發(fā)射嫦娥五號(hào)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)月球軟著陸以及采樣返回。這意味著我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走的最后一步即將完成。

嫦娥五號(hào)包括軌道器、返回器、上升器、著陸器4 部分。到達(dá)月球軌道后，軌道器和返回器繞月飛行，著陸器和上升器在月面降落。著陸器用所搭載的采樣裝置完成月面采樣后，裝入上升器所攜帶的容器里。

隨后，上升器從月面起飛，與軌道器、返回器組成的組合體進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，把采集的樣品轉(zhuǎn)移到返回器，而后上升器完成使命，與組合體分離。軌道器、返回器組合體接過(guò)樣品回家的“接力棒”，飛向地球，在距離地面幾千千米時(shí)，軌道器與返回器分離，由返回器跑完“最后一棒”，返回地面。

此次任務(wù)有望實(shí)現(xiàn)我國(guó)開(kāi)展航天活動(dòng)以來(lái)的四個(gè)“首次”：首次在月球表面自動(dòng)采樣、首次從月面起飛、首次在38 萬(wàn)千米外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接、首次攜帶月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

“嫦娥家族”的未來(lái)使命

那么，接下來(lái)“嫦娥家族”要干什么呢？

嫦娥六號(hào)計(jì)劃在月球南極進(jìn)行采樣返回，到底是月背還是正面，要根據(jù)嫦娥五號(hào)的采樣情況來(lái)確定。嫦娥七號(hào)計(jì)劃在月球南極，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)任務(wù)。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)。中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯和歐洲等國(guó)家都在論證要不要在月球建立一個(gè)科研基地或者科研站，比如采用3D 打印技術(shù)，能不能在月亮上利用月壤建房子等。通過(guò)嫦娥八號(hào)驗(yàn)證部分技術(shù)，為以后各國(guó)一起共同構(gòu)建月球科研基地，做一些前期探索。

月球尚有很多未解之謎，“嫦娥家族”后續(xù)任務(wù)將會(huì)更加驚心動(dòng)魄。同時(shí)，探月工程也是我國(guó)由航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的標(biāo)志性工程，“嫦娥家族”將如何演繹自身使命，我們拭目以待！