出品：科普中國
製作：川陀太空
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
根據新華社消息，2019年1月3日10時26分，嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮•卡門撞擊坑內，實現人類探測器首次在月球背面軟著陸。
阿波羅16號拍攝的月球背面
馮-卡門撞擊坑在月球上的位置
在發射四天後的12月12日，嫦娥四號開始在100公里高度的環月軌道上運行，並在環月軌道上與"鵲橋"中繼星進行了4次中繼鏈路測試和多項在軌測試，為實施月球背面軟著陸奠定了基礎。12月30日，嫦娥四號探測器成功在環月軌道實施變軌控制，順利進入著陸軌道，擇機降落。1月3日，嫦娥四號探測器成功降落月球背面，這是人類首次登陸月球背面，也是中國探月工程的一個新的里程碑。
鵲橋中繼星
嫦娥一號到四號，探月工程逐步實現
本世紀初開始，中國探月工程基本確定了在2020年左右實施繞、落、回的三步走戰略。2007年，嫦娥一號成功實施環月探測，成功實現了我國探月工程一期繞月的目標。2010年，嫦娥二號不負眾望，在完成環月先導探測之後，又進一步擴展了對L2點、小行星等多目標探測，圓滿完成了其作為探月二期工程先導星的任務。2013年，嫦娥三號成功在月球虹灣軟著陸，釋放玉兔號月球車。至此，探測工程第二步基本完成。
嫦娥3號探測器
嫦娥四號作為嫦娥三號的備份星，其在設計、結構等方面基本是相同的。鑑於嫦娥三號任務圓滿完成，那麼嫦娥四號自然就被賦予了一些新的探索方向，登陸月球背面的任務由此誕生。2016年1月，嫦娥四號通過探月工程重大專項小組審議，確定發射時間在2018年，實施人類無人探測器第一次在月球背面軟著陸，意義重大。
地月中繼通信示意圖
為了滿足嫦娥四號軟著陸月球背面的需求，鵲橋號中繼星研發拉開序幕，其研製時間只有兩年內，設計壽命為3年，攜帶了4.2米口徑高增益拋物面天線，可實施地月系內任意目標指向與跟蹤控制，為嫦娥四號著陸器、月面巡視器、地面控制中心之間建立聯繫提供堅實的技術保障。鵲橋號的研發真正體現了中國航天在探月方向上的技術積累，其誕生是為了嫦娥四號任務而存在。研製週期短、重量也小，只有400多公斤，星載燃料也少，設計軌道需要12次軌道控制修正，3次捕獲控制修正，才能進入環月L2點。在軌飛行期間任何一腳"剎車"不及時，那麼鵲橋號很可能錯過預定軌道，影響到嫦娥四號任務的正常推進。更重要的是，鵲橋號還攜帶了低頻射電探測儀，在完成嫦娥四號中繼任務的同時，還可以對早期宇宙進行探索和研究，整星性價比就體現出來了。
半個世紀，50多個著陸器奔向月球
在嫦娥四號之前，世界上只有中美俄（蘇）完成了在月球表面的軟著陸。最近一次就是嫦娥三號成功在月球虹灣著陸，再上一次就要追溯到1976年蘇聯月球24號了。月球24號探測器具有返回能力，蘇聯科學家也獲得了月表下2米大約170克月壤樣本。在1950年代末至1970年代，美蘇之間爆發了人類史上第一輪大規模無人探月、載人登月競賽，一共發射了100個左右的涉月航天器，其中包括美國阿波羅計劃6次載人登月和蘇聯2次在月面釋放月球車。
早期登月探測器採用的是最原始的硬著陸方式登月，比如於1958年發射的蘇聯88所研發的月球1A探測器，按計劃該探測器要撞擊月球表面，以硬著陸的方式將人造物體第一次送到月球表面。蘇聯第6次嘗試才獲得成功，月球2號也成為第一個以撞月硬著陸方式抵達地外天體的人造物體。美國研發的徘徊者4號也在1962年成功硬著陸，史上第二。最早期的硬著陸方式不顧星載設備的安全，只求誰先把人造物體"扔"到月球上，但美蘇的相關試驗也表明，硬著陸如果控制在一定速度範圍，可以確保航天器（彈頭）結構完好。只不過美蘇很快又開始競爭軟著陸以及載人登月，硬著陸也就開始廢棄的。在1970年代，美國利用潘興系列彈道導彈彈頭進行的高速侵徹深度試驗表明，在500至600米每秒的接地速度撞擊泥沙地質，彈頭可以保證完好無損，這個成果也可用於對其他太陽系天體的探測。
1966年，蘇聯月球9號探測器成功在月面實施軟著陸，月表工作8小時多，美國的勘測者1號也在同年完成月面軟著陸，開啟了月面軟著陸的探測時代。到目前為止，蘇聯有7次軟著陸月面成功，美國算上阿波羅計劃6次載人登月，一共11次，勘測者4號有可能在軟著陸前解體，因此不計入，然後就是中國嫦娥3號。前後19個無人/有人著陸器在月面成功降落，如果算上硬著陸或者撞擊月面的探測器，那麼數量要超過50個。
這些航天器中，嫦娥四號是最特別的一個，不僅要在月球背面軟著陸，還要釋放一臺月球車，這樣的成就當然是半個世紀50多個涉月任務軟硬著陸航天器中最突出的一個，開啟了月背探索的新篇章。四段飛行後，降於月球南極馮卡門坑
作為備份星的嫦娥四號，其軟著陸設計與嫦娥三號基本相同。從軌道設計上看，兩者也基本類似，嫦娥四號第一飛行段先由CZ-3B火箭送入近地點200公里、遠地點42萬公里的地月轉移軌道；第二飛行段實施近月點制動，被月球引力捕獲，進入100公里高度環月軌道；第三段實施軌道機動，進入近點月15公里，遠月點100公里的橢圓軌道；第四段為近月點實施動力下降：主減速-快速調整-接近-懸停-避障-緩速下降。
嫦娥四號這次軟著陸區域位於月球背面的南極艾肯盆地內的馮-卡門撞擊坑內，該撞擊坑直徑大約180公里，差不多是上海到杭州的距離。而馮-卡門坑所在艾肯盆地則是一個非常古老的大型盆地，直徑達到2600公里，具有的科學意義顯然是非常重大的。
從月球極區看馮卡門坑
馮-卡門撞擊坑圖像
馮-卡門撞擊坑的特點在於：第一，地勢比較平坦，適合探測器著落，所謂的坑大峰小；第二，年齡古老，距今40億年以上，後期可挖掘出月球雨海紀玄武岩樣本；第三，其馮-卡門坑在形成之前已經存在一個更大的撞擊坑，通過撞擊坑形成模型我們可以得知，馮-卡門坑表層或者淺表月壤中很可能有早期撞擊暴露出的深層月幔物質。根據日本月神號探測器的數據，艾肯盆地內的月殼厚度較薄。同時，克萊門汀探測器的數據也顯示，馮-卡門坑底有複雜的岩漿活動，多個證據顯示雨海紀時馮-卡門坑存在重複撞擊、月殼多次熔融，形成了今天我們看到的玄武岩層。綜合多個因素，登陸馮-卡門坑的科學意義重大，未來獲得的發現成果也值得期待。
嫦娥3號接近段制動動畫
從接近段開始，嫦娥4號上的光學成像儀介入，獲取著陸區光學圖像，由於嫦娥四號降落點選擇在月球南極，因此太陽光照是一個控制條件，根據這個條件我們也可以推測出嫦娥四號的落月時間。只有降落點光照條件良好，著陸區光學圖像越清晰越好，這樣著陸器可識別月面大型障礙物。
嫦娥3號著陸器
在懸停段時，嫦娥四號著陸器高度大約距離月面100米左右，通過激光三維成像儀建立著陸區三維高程數據，此時的橫向、縱向速度都為零，姿態正上，縮小著陸區範圍。接著，精細避障飛行開始，嫦娥四號著陸器高度開始進一步下降，從距離月面100米降低到30米左右，水平速度零，垂直速度值控制在每秒1.5米。從距離月面30米高度下降到月面，在關機傳感器發出信號時，著陸器垂直速度應低於每秒3.8米，水平速度低於每秒1米，月面傾角小於8度，基本上可確保安全著陸。
嫦娥四號登陸之後會進行儀器自檢，後續將開展多個科學的任務，主要方向有三個：第一，月基低頻射電天文觀測；第二，馮-卡門坑巡視及淺層結構探測、下方礦物組分探測；第三，月背環境研究。嫦娥四號，有助於建立月背礦物、月面環境的早期研究框架，為今後的深入開發月球打下基礎。
三步走戰略後，將開啟載人登月任務
在嫦娥四號完成任務後，嫦娥五號將實現我國探月工程三步走戰略中的"回"。這意味著嫦娥5號返回艙就要從月球表面起飛，以接近第二宇宙速度返回地球。上一次月壤返回要追溯到1976年的蘇聯月球24號探測器，也意味著時隔40多年後，人類再次從月球上採回樣本。
探月工程三步走完成之後，下一步就要開啟載人登月的任務。隨著NASA要重返月球，俄羅斯、歐洲躍躍欲試，私人航天企業也殺出重圍。預計在2030年代，人類將再次開啟新一輪載人登月窗口。
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