鹊桥中继卫星
月球正面的历史人类都很清楚，但最古老的那一段在月球正面得不到，它埋藏在月球背面的深坑中。为此，必须去月球背面，“把月球完整的历史提供给所有人”。
就在我们书写这篇稿件的同时，嫦娥四号月球探测器正以10.9公里每秒的速度奔向月球。
2018年12月8日凌晨2时23分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器，开启了中国月球探测的新旅程——嫦娥四号后续将经历地月转移、近月制动、环月飞行，最终实现人类首次月球背面软着陆，开展月球背面就位探测及巡视探测，并通过已在使命轨道运行的“鹊桥”中继星，实现月球背面与地球之间的中继通信。
为什么探索月球背面？
嫦娥四号为什么要落在月球背面？
月球自西向东以逆时针方向自转，同时也围绕地球以逆时针方向公转。由于“潮汐锁定”，月球自转一周的周期与围绕地球公转一周的周期相等，约为28个地球日。
最终形成了月球始终以“正面”朝向地球、“背面”始终背向地球的状态。由于月球的“天平动”，月球像钟摆一样来回摆动，在地球上我们能看到59%的月面，几乎整个月球背面却难觅真容。
“为人类提供完整的月球历史！”中国探月工程首任首席科学家、中国科学院院士欧阳自远说，月球上有个大坑叫艾肯盆地，是在40亿年前被陨石砸出来的，这次撞击，把月球里古老的岩石都给拨出来了。
月球的正面，美国的“阿波罗”采样6次，苏联采样3次，2019年，中国也将在月球正面采样，“月球东南西北各个角的样本就都有了”。欧阳自远说，月球正面的历史人类都很清楚，但最古老的那一段在月球正面得不到，它埋藏在月球背面的深坑中。为此，必须去月球背面，“把月球完整的历史提供给所有人”。
“月球背面探测，也有助于推动月球资源的研究和开发利用。”欧阳自远告诉记者，月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源，开发和利用月球资源是人类探测月球的源动力之一。近年来，美国等国家相继制订了包括月球背面资源调查研究等计划。通过嫦娥四号对着陆区地形地貌、矿物组分、巡视区浅层结构、地幔物质等进行科学探测与研究，将为月球资源的开发利用提供极有价值的第一手资料。
此外，月球背面没有来自地球的无线电波的干扰，是进行射电天文观测的最佳场所。“如果能利用这一自然地形架设无线电望远镜，就好比把‘天文台’搬到了月球背面。”欧阳自远解释道，嫦娥四号着陆器在月球背面软着陆后，将开展月基低频射电天文观测研究，预期可以获得一批原创性的科学成果。
嫦娥四号着陆器
“替补变主力”
其实，嫦娥四号与嫦娥三号是一对“双胞胎”，当嫦娥三号圆满完成任务后，原本作为备份的嫦娥四号被赋予了新的担当，将成为在月球背面软着陆和巡视勘察的先锋。
为了应对全新任务带来的新问题、新挑战，科学家们对嫦娥四号进行了精心设计与研制改进。因此，嫦娥四号虽然与嫦娥三号外貌一样，但其实已经脱胎换骨。
据中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁介绍，嫦娥四号任务月球车总重量约140公斤，是全球目前重量最小的月球车。为了适应月球地面状况和极大的温差，嫦娥四号月球车在运动安全、能源供给、科学探测、测控通信等方面均作了特殊设计。例如，为了保证仪器设备在月夜零下180℃的环境中不被冻坏，月球车配置了同位素热源，为仪器设备供热。
同时，嫦娥四号任务月球车也吸取了嫦娥三号任务“玉兔”号的经验。吴伟仁介绍，由于月昼月夜的巨大温差，“玉兔”号在执行任务过程中遇到了电缆短路的问题，嫦娥四号的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。
嫦娥四号与嫦娥三号有一样的“身形”和“骨架”，携带的装备却很不一样。
嫦娥三号有效载荷大致可以分为三类：第一类用来观察月球，包括全景相机、地形地貌相机、测月雷达等；第二类用来观测宇宙，主要由月基光学望远镜承担；第三类用来观察地球周围的等离子层。三种载荷各有所长，也能相互配合。
根据着陆区域和科学目标的变化，科研团队为嫦娥四号配备了8台有效载荷。“把原本的月基望远镜（MUVT）换成了低频射电频谱仪（LFS）。”欧阳自远说，此次嫦娥四号要登陆月球背面，就得充分发挥月球背面的优势，月球背面有一段来自宇宙的电磁波，即低频射电，受地球电离层的影响，只能在月球背面才能收到。
此外，着陆器还携带了地形地貌相机、降落相机等，巡视器装有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达等。值得一提的是，此次任务还搭载了“国际范儿”装备，分别与荷兰、德国、瑞典、沙特开展科学载荷方面的国际合作。
吴伟仁透露，嫦娥三号着陆器和月球车设计寿命分别为1年和3个月，但最终月球车工作了2年9个月，着陆器目前仍在运行，工作状态很好。嫦娥四号月球车设计寿命也是3个月，预计运行时间将比“玉兔”号更长。
先锋 吴伟仁院士介绍嫦娥四号月球车时表示，嫦娥四号月球车设计寿命也是3个月，预计运行时间将比“玉兔”号更长。
“鹊桥”通信，智能着陆
深空测控通信系统是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键可贵等一系列原因，使得深空测控通信实现起来更为困难，无论对星上设备还是对地面设备等都带来新的挑战。
通信方式不同是嫦娥四号与嫦娥三号相比最大的不同。嫦娥三号与地球的通信联络由地面站和海上远洋测量船来完成。而由于月球正面的遮挡，月球背面没有通信信号，无法与地球实施适时通信，因此，嫦娥四号与地面的通信联络要由“鹊桥”中继卫星担任，借助架设在地月拉格朗日L2点的中继卫星，实施与地面的通信信号“接力”。
2018年5月21日，第一次发射——嫦娥四号中继星“鹊桥”由长征四号丙运载火箭成功发射升空。于5月25日到达近月点，在成功实施近月制动后，顺利进入月球至地月拉格朗日L2点的转移轨道。6月14日，“鹊桥”中继卫星实施轨道捕获，进入环绕距月球约6.5万千米的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道，成为世界首颗运行在地月拉格朗日L2点Halo轨道的卫星，在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试后，等待嫦娥四号的到来。
吴伟仁告诉记者，“鹊桥”中继卫星携带了一副展开后口径达近5米的伞状天线，在人类上天的深空探测器上，还没有这么大口径的通信天线，它直指地球，在月球背面和地球之间架设了一个宏伟的信息高速桥梁。除了这副最大天线外，研制人员还给它配备了多副小天线，通过这些天线，不仅可以将地面的测控指令说给巡视器听，还可以听清楚巡视器反馈的信息。
本次，嫦娥四号的目的地是月球背面南极艾肯盆地，新月球车将与嫦娥三号“玉兔”号在月球两面遥遥相对。
2013年，嫦娥三号着陆在月球正面的虹湾。那里布满月海玄武岩，地势较为开阔、平坦，位于大型撞击坑、月海、高地(山脉)交汇地区，有利于科学勘察目标的选择。
而嫦娥四号的主着陆区为月球背面南极艾肯盆地，着陆区面积比虹湾地区小了许多。而且月球背面山峰林立，遍布撞击坑，很难找出更大、更平坦的地方，嫦娥三号着陆区地形起伏仅800米，而嫦娥四号着陆区起伏达到了6000米。
由于落月过程地球方向不直接可见，所有信息传输都需要在中继星“鹊桥” 的中转下完成。因此，人工智能在探测器月球着陆环节中的应用极为重要。整个落月过程由GNC(制导、导航与控制) 系统自主操控，加之回传画面的延迟，对地面人员来说，这个过程近乎是“盲降”。
月亮上没有空气，因为在真空里降落伞毫无作用，所以必须把它调整到很低的一个位置上，朝着目标降落。下降速度越来越快的话，到了月球表面就会被砸碎。因此只能有一个办法，就是在着陆器下方安装几台发动机，把整个着陆器往上推，这样就可以慢慢降落。
欧阳自远介绍说：“嫦娥三号的下落依靠人工智能技术，其中很重要的一个方面是地形识别——着陆器自主选择一个安全的着陆地形来着陆。”当嫦娥三号飞到离月球表面约100米高处时，搭载的相机就会拍摄大量的照片，探测器智能识别，如果下面有个大坑，需要挪个地方，它就会自己平移，等照相机告诉它地面平了，才会降落。而嫦娥四号在技术上又进了一步，具有比嫦娥三号更准确的着陆精度。
《小康》2019年01期上
