嫦娥四號，去更穩妥的地方，還是去未曾去過的地方？

　　我是科學家iScientist 發表於  2019-04-04 14:45

　　本文為2019年3月23日「我是科學家」年度盛典——科學與你，探尋萬物的聯結 | 張熇 演講實錄：

　　在人類探索月球的歷程中，關於月球背面的陰謀論和謠言甚囂塵上，阿波羅登月是假的？世界各國都不探月了？月球背面有外星人？月球內部是空心的？當然，這些都是不存在的。那麼，這裡為何值得嫦娥四號「走一趟」？中國空間技術研究院嫦娥四號探測器項目執行總監、副總設計師張熇為大家帶來演講《嫦娥四號：去月亮背面，去未曾去過的地方》

　　我是張熇，來自中國空間技術研究院。很榮幸，因為這張照片，我在網路上火了一把。

　　

　　其實，我從2001年就開始從事我們國家探月工程探測器的設計研製工作，參與了我們整個探月工程「繞落回」發展戰略（即繞月探測、月球軟著陸和自動巡視勘測、月球樣品自動取樣返回探測）的論證，參與了嫦娥一號、嫦娥三號、嫦娥四號幾個探測器的研製。

　　要說到我跟航天的結緣，可以追溯到1986年。上初三的時候，我訂了一本雜誌，這個雜誌叫《航天》。從那個時候，我就從內心非常喜歡航天這樣一個「有點未知、有點冒險」的事業。後來也一直從事相關的工作。

　　

　　今天我主要和大家分享一下嫦娥四號的故事。大家知道，嫦娥四號是人類首次著陸到了月球背面。其實，最初決策著陸地點的過程，挺漫長，也挺艱苦。

　　2013年，嫦娥三號任務圓滿完成後，我們就開始論證：嫦娥四號的目標到底是哪兒？

　　

　　當時，我們也提出過：繼續落在月球正面另一個地方，或者落在月球背面，甚至於可以落到月球的極區。

　　從科學探測的角度來說，落到任何一個地方都可能有新的發現，都很有意義。但是，月球背面——沒有國家的探測器在那兒著陸過，那麼我們有可能有更多新的、首創的科學發現，意義更大。

　　作為航天工程師，我們的任務就是權衡我們的設計是不是能夠滿足這樣的一個任務需求。

　　

　　演講嘉賓張熇：《嫦娥四號：去月亮背面，去未曾去過的地方》

　　當時有很多專家說，既然月球背面全都沒有國家去過，應該有兩種可能：一種是，去背面沒有什麼意義，所以大家都不去；要不然，就可能是技術難度太大了，大家都去不了。

　　我們經過充分的分析論證，經過一段時間終於提出來合適的方案：增加一顆新的中繼星，然後對原來嫦娥三號研製的著陸器、巡視器進行適應性的改進、優化。我們認為可以實現著陸到月球背面這樣一個目標。

　　但當時，還是有很多質疑。每次科學家們提出不同的疑問，我們就要做相應的分析模擬，然後解答其中的問題。

　　2015年，在一次決定「嫦娥四號最終去哪兒命運」的評審會上，專家們還是有一些不同的意見。我們的葉培建院士，他憑著多年的工程經驗和敏銳的戰略思考，說，月球背面沒有人去過，這就是最大的意義，因為我們空間探索的目標就是要探索未知，那麼，「沒有人去過」這個本身就已經是很大的意義。

　　最終，決定了嫦娥四號要著陸到月球背面。這從科學上和技術上都有很大意義。

　　從科學意義上說主要是有三個方面：

　　第一，因為月球背面擋住了來自地球的輻射，同時它自身沒有電離層、沒有大氣層，是一個非常潔凈的電磁環境，非常適合開展月基的天文觀測——這也是世界各國開展射電天文觀測的天文學家們夢寐以求的地方。

　　第二，月球背面的地質年齡比月球正面要古老幾億年，我們到這個地方探測，就有可能發現更多、更早期年代的一些物質。

　　第三，月球背面撞擊坑非常密集，有我們太陽系最大的撞擊盆地，叫「南極-艾特肯盆地」。探索這個盆地有可能發現一些月球深部的物質，為月球的起源演化研究提供很多數據。

　　從技術上，主要的挑戰分兩個方面：第一，怎麼實現高精度地、安全地著陸，第二，怎麼實現和地球的通訊。

　　

　　其實月球本身是一個球體，它沒有所謂的正面背面。月球是地球的一個衛星，圍繞地球來運動；但是由於潮汐鎖定的效應，月球自轉的周期和它公轉的周期基本上一致。這樣月球始終一面朝向地球，一面背向地球。由於月球自轉軸有天平動（指天文學中觀察所見到的非常緩慢的周期性振蕩）的運動，所以不是完整的50%看不到，而是只有大概40%看不到，60%可以看到。

　　

　　在這張圖上，左上是月球的正面，就是沖向地球的這半邊。我們嫦娥三號就是著陸在月球正面西北的虹灣地區。右上這張，紅的、藍的顏色很豐富的，就是月球的背面。從這兩張圖可以看出正面相對地形比較平坦；背面的高地很多，撞擊坑非常得多，很難找到一塊比較平坦的、大的地方。最下面這張圖是嫦娥一號——當時我們國家第一顆月球探測衛星——獲得的一個全月面的地圖。

　　

　　在月球正面和背面地形有一定差別的情況下，左一圖是月球背面我們希望著陸的南極艾特-肯盆地內部的一片區域，紅色、藍色、黃色代表的是月面的高程（即某點沿鉛垂線方向到絕對基面的距離），藍色偏深的是地勢比較低的，紅的是地勢比較高的。從這張圖上可以看到比較大的、平坦的地區是很少的，所以我們後來選的主著陸區，就是紅色的馮·卡門撞擊坑（位於艾肯特盆地中部，是整個太陽系最古老的撞擊坑）里的能夠安全著陸的一個平地，大概只有50×30公里這樣一個範圍。

　　再往右，左二是嫦娥三號當時的著陸範圍。可以看到，大片藍色的都是很平坦的地區，我們就可以在一個很大範圍內著陸，對控制的精度等等要求相對低；到了背面，只能在很小的區域著陸，對整個飛行過程的控制、著陸的控制，就提出了更高的要求。

　　背面地形起伏還帶來一個問題，就是航跡地形起伏劇烈。在著陸的過程中（右一圖），先經過高地，中間經過一個凹坑，然後又經過這兩個坑之間的高地，最後再進到坑裡邊。這個航跡的起伏，中間這條曲線最多可以達到四五公里。這個過程中，我們要對月面進行測距測速，地形起伏帶來很大的影響，會帶來很大的導航誤差，給我們帶來了很多困難。所以，在嫦娥三號基礎上必須要做改進和創新，才能實現在這樣一個複雜崎嶇地形的安全著陸。

　　我們主要是做了四個方面的工作：

　　第一，優化、精細化軌道的設計和控制。我們要在軌道每一次變軌之後進行精細的控制，最終能夠讓它進入到剛才圖中畫的比較小的框裡邊。

　　第二，做精細化的發動機推力的在軌標定。著陸的過程主要是靠著陸器上的發動機的推力來提供減速的能力，這個推力有1%的偏差，著陸點就會偏出幾公里的量級。而在軌發動機在一個真空的複雜環境下工作，和在地面上做測試標定還不完全一樣，所以我們要在軌標定，精確地標定推力到底是多少，來保證最終精確著陸。

　　第三，對整個動力下降、整個著陸過程的策略進行了優化。上圖中，左邊是嫦娥三號的著陸軌跡，右邊是嫦娥四號的著陸軌跡。主要的變化在於主減速段結束的時候，嫦娥三號從15公里減到3公里左右，而嫦娥四號優化之後的效果就是到8公里以後，我們已經到了著陸區的馮·卡門撞擊坑的上方，再進行對月面的測距測速，面對的目標已經是未來的著陸點，就不再受比較大的地形起伏的影響。

　　第四，接力避障。因為月球背面撞擊坑非常多，如果沒有地形識別沒有避障的策略，很可能會著陸在斜坡上等等，就會有翻倒的危險。我們是設計了先是光學避障，後面還有激光三維成像避障、兩輪的避障來實現選擇安全著陸區，最終實現了一個「定點、定時、精確」的著陸。

　　

　　這張圖中，左上角的圖片，就是嫦娥四號在著陸過程中，距月面100米高度時有一個懸停。所謂「懸停」，就是相對月面的速度基本上是0。在這幾十秒的時間內，我們用一個激光三維成像敏感器生成了右上這張圖，可以明顯看出有兩個大坑，右邊也還有坑。我們著陸器上的計算機會自主根據這張三維圖像來識別坡度凸起和凹陷，來尋找滿足要求的地點著陸。最終，我們選擇了右上圖中紅十字的地方，在幾個坑中間找了一個相對平坦的地方。

　　下面兩張圖片，都是光學相機成像，通過圖像匹配最終定位著陸在三個坑中間的一個位置。右下角這張照片是我們人類獲得的第一張月球背面近距離的一個圖像。這些圖像，在普通人眼裡可能只是圖像，但是在搞月球科學的科學家眼裡，可以由此分析一些石塊撞擊坑的分佈，等等，都會讓我們對月球的起源和演化有更多的科學認識。

　　

　　到了月球的背面，我們看不到地球了，而通訊都是要通過直接可見的微波通訊，所以就需要一顆中繼星：著陸器、巡視器的信號先發給中繼星，中繼星再發給地球。

　　中繼星工作在什麼樣的軌道？這需要精心的選擇。它可以繞著月球運轉，也可以選擇一個更好的地點，也就是我們現在選的在地月L2點的HALO軌道。

　　月球和地球是一個地月系，在任何兩個天體之間存在若干個引力平衡點。L2點是「拉格朗日2點」的縮寫，這個點也是一個引力平衡點。航天器如果工作在這個地方，需要很小的一些控制的能量就可以讓它保持在這附近運動。

　　L2點距離月球平均6.5萬公里，選擇在L2點工作有幾個好處：一個是L2點工作的探測器始終可以看到月球的背面；第二就是我們可以設計這個L2點軌道的浮值（即浮動值）——衛星並不是站在L2點，而是圍著L2點一個大的橢圓軌道轉圈。現在我們設計的這個圈，大概浮值有1到3萬公里，是比較大的一個圈——這樣一個圈的好處就是它始終還能看到地球，地球並不會被月球遮擋。中繼衛星工作在這個軌道，就能實現著陸器、巡視器把信號傳給中繼星，中繼星再傳給地球這樣一個準實時的數據中繼。

　　但這個軌道，也有一個唯一的缺點：離月球相對比較遠，平均最遠的時候可以達到8萬公里，近的時候也有4萬多公里。距離遠，信號衰減比較厲害，那通道能傳輸的數據量就會比較受限制。

　　針對這種情況，我們採用了一種叫「再生數據轉發」的方式，就是著陸器、巡視器發送的數據，發到中繼星，中繼星要進行解碼，然後再編碼傳送到地球，這樣我們就可以獲得更多的通道增益來提高我們傳輸數據的數據量。

　　

　　中繼星採用了一個小平台加一個大天線的方式。右邊這個大圖，我們的中繼星平台，就是下邊這個銀色的部分，一個一米見方的立方體，頂了一個直徑4.2米的中繼天線，我們把它叫做「傘狀天線」。左邊是它收攏狀態，右邊是展開狀態。它由16根肋作為支撐，中間的這些網面是用金屬絲編織的一個網面，口徑大就有利於傳輸更多的數據。

　　這樣一個天線在月球L2點軌道運行，要經歷近300度的溫差。低溫到零下190度，高溫到零上100度。如何在這麼大的溫差範圍內保證天線型面的精度，也是很困難的一個問題。所以，我們這個天線在調試的時候也需要很費力的工作，工人師傅要精細地調整網面，調整以後，要把這個天線放到真空罐裡面去做高低溫的循環，讓這些金屬網的應力得到釋放，做幾遍以後得到一個型面精度非常好的天線。

　　目前，整個中繼星在軌的工作的指向，整個天線的型面保證都非常好，實現了我們著陸器、巡視器的對地的終極通訊。

　　

　　經過著陸的設計和通訊的設計，終於到了月球背面，接下來我們做些什麼事情？

　　

我們的科學家主要配置了這樣一些載荷：一個是著陸器，著陸器上主要包括地形地貌相機、降落相機、低頻射電頻譜儀，就是剛才我說到的針對月球背面電磁環境，來做低頻射電天文觀測的。目前我們主要是做太陽爆發產生的低頻的電場，還有著陸區上空的月球電離層的觀測；同時我們還帶了一個月球中子及輻射劑量探測儀，來探月球附近的能量中性粒子的一個計量，還有可能探測著陸器附近月壤中的羥基的含量，因為羥基可能跟水的存在有關。現在這些載荷都已經開機工作了，但是數據的積累和分析還需要一定的時間。

　　

　　這個是巡視器，大家可能都知道它叫「玉兔二號」，我們叫巡視器。它的上面裝了包括全景相機、紅外成像、光譜儀、測月雷達、中性原子探測儀。相機主要是拍月面的圖像；紅外光譜儀主要是測月球背面月壤的成分；測月雷達它是向月面發射電磁波，通過回波反射來反演月球的淺層的地殼結構；中性原子探測儀是測月球表面的中性原子的通量等等。

　　目前這些科學載荷都在正常工作，但科學數據的分析積累、科學成果的產生還是有一個過程。現在我們需要做的，就是讓它們繼續探測數據，給科學家一定的時間來分析積累這些數據。我們希望會有更多非常好的科學成果產生。

　　

　　另外，我們嫦娥四號還做了一件比較有意思的事情：到月球背面測了一下月壤的白天和晚上的溫度。因為在月球背面晚上是沒有太陽光的，月壤沒有大氣層的保護，溫度會降得很低。

　　以前我們都是靠國外的資料，這一次我們自己親自實測了一下。我們把測溫的敏感器放在巡視器梯子的端頭上，這個端頭最終在月面會接觸到月壤，就可以有效測量月壤的溫度。現在我們也測出來了，月球背面月壤在月夜期間的溫度達到了零下190多度，我們和科學家也正在進一步分析，這可能跟月壤本身的特性，跟月壤的熱特性有密切的關係。

　　為了實現這個月夜測量，我們還用了一個新的技術叫「同位素溫差電池」。因為沒有太陽光可以進行能量供應，所以用了同位素溫差電池給這些測溫裝置供電——這也是國際上深空探測器普遍採用的技術：利用同位素元素衰變產生的熱，再利用半導體材料熱電轉換效應把它轉換成電。現在我們做的深空探測同位素溫差電池提供的電能還比較少，但是等相關的技術突破之後，會給未來同位素電池的應用墊定一個比較好的基礎。

　　

　　這是嫦娥四號著陸器拍的著陸區周圍的全景拼接的全景圖，這是其中的一部分。可以看到中間豎著杆子，還有右邊，左前邊伸的杆子，就是我們月機低頻射電頻譜儀三根各五米長的測量低頻射電譜的天線。

　　

　　為了確保在飛行過程中的成功，每一個航天器在地面其實都經過了千錘百鍊。在地面充分驗證，這是我們航天任務成功的一個最基本的要求。

　　這是包括我們做光照實驗、熱真空實驗、點火懸停實驗，還有著陸衝擊實驗以及振動實驗等等這樣一些實驗的圖像。很多時候，大家看到的是我們航天任務成功、大家激動歡喜的場面。但是對於我們設計師來說，其實最難忘的很多時候，是我們出了問題、遇到挫折的這些情況。

　　舉一個例子。我們整個著陸器有非常複雜的推進系統，有發動機、有儲箱，要帶2000多公斤的推進劑。整個一套系統我們在地面都要做充分的驗證，要做所謂叫「全系統試車」。我們的整個著陸器固定在一個實驗台上，出於安全的考慮，我們在大概兩三百米外的一個測試間。在我們研製的過程中就出現過，在做全系統試車的時候，剛剛開始讓發動機點火，幾十秒之後，試車那邊就著了火，推進劑四氧化二氮濃煙冒得很厲害，火苗都已經出來，當時我們大家也真的是都嚇壞了，趕緊終止實驗，澆水來滅火。

　　事後我們經過仔細地排查，發現其實是非常小的一個疏忽，但是這樣一個疏忽造成了我們一套產品，包括推進系統的產品，包括我們碳纖維的結構都全報廢了。在這之後，大家找到問題的原因，大概經過半年以後，我們再重新組織了新的一次試車，取得了圓滿的成功。

　　為了這次試車，我們很多同事一個月都沒有回家，全都撲在這個工作上。這些挫折，可能是我們航天設計師更加刻骨銘心的一些故事。

　　

　　很多時候，我們說把航天器當做自己的孩子。其實我覺得，除了當成孩子，我們對我們的航天器心裡還有一絲敬畏。

　　我們有一位最後要把航天器總裝到一起的老師傅，總裝班組組長劉師傅，他就說「航天器也是有感情的，你認真對待它，它上天就好好工作；如果你糊弄它，它到時候就會糊弄你」。我非常相信劉師傅的話，只要我們特別用心地對待工作，一定會有更多人類的前所未知能夠被我們突破。

　　最後我想說，深空探測充滿未知，也充滿挑戰，我喜歡。

　　謝謝大家。