探索月球背面的嫦娥四号(2)
其次，月球正面和背面的电磁环境也存在很大不同，月球背面的电磁环境非常干净，是天文学家梦寐以求的理想场所，在这里可以开展空间科学领域最前沿的低频射电天文观测。受地球大气成分影响，低频射电研究一直都存在空白。如果能够在月球背面放一个低频射电频谱仪，将填补空白，推动科学界取得更大的进展。
此外，利用月球背面保存的最古老月壳岩石的独特条件可以开展地质特征调查，有望在国际上首次建立集地形地貌、浅层结构、物质成分于一体的综合地质剖面和演化模型，获得对月球早期演化历史的新认知。把月球研究好了，对研究整个地球未来的演化、全球温室效应、气候变化等都会有很好的帮助。
“嫦娥四号”将进行哪些科学研究
嫦娥四号的基本架构继承了嫦娥三号的着陆器和月球车，但科学载荷会有很大的变化。与嫦娥三号类似，嫦娥四号的着陆器上仍装有降落相机、地形地貌相机，并增加了国内新研发的低频射电频谱仪，以及德国的中子与辐射剂量探测仪，去掉了月基光学望远镜、极紫外相机。低频射电频谱仪将利用月球背面没有地球电磁波干扰和天然洁净的环境，研究太阳爆发、着陆区上空的月球空间环境，还可以对来自太阳系行星的低频射电场进行观测，并“聆听”来自宇宙更深处的“声音”。德国的中子与辐射剂量探测仪能探测着陆区的辐射剂量，评估未来载人登月航天员的危险度，提供相应辐射防护的依据。嫦娥四号的月球车上仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪，同时增加了瑞典的中性原子探测仪，去掉了粒子激发X射线谱仪。瑞典的中性原子探测仪对于解决太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题有着重要的意义。
要实现嫦娥四号任务的工程目标，需突破4项关键技术，包括在复杂地形环境条件下的安全着陆、地月L2点轨道设计与控制、地月L2点远距离中继通信，以及同位素温差发电与热电综合利用。
嫦娥四号的三大科学研究是：①对月球背面的环境进行研究；②对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究；③最大的特色是在月球背面不受太阳的影响，在月球背面和中继星上分别装上低频射电探测仪，进行有关的研究。
如果嫦娥四号进展顺利，中国还将发射更多的无人探测器，并在15年内实现载人登月。
嫦娥未动“鹊桥”先行
为何嫦娥未动，“鹊桥”先行呢？这与嫦娥四号的任务有关。嫦娥四号是世界上第一个在月球背面软着陆的航天器。月球背面有很多的环境和条件是未知的，地形也非常复杂，嫦娥四号要实现在月球背面着陆并将月球探测的信息传到地面，有一个特殊的难题—通信。由于月球对通信信号的阻挡，从地面上很难指挥月球背面探测器的工作。为此，中国还要向月球背面和地球同时可见的地月L2点发射一颗名叫“鹊桥”的中继卫星，来执行测控、数传中继任务。“鹊桥”架设在这个轨道上，既能“看见”地球，又能“看见”月球，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换。它距离月球6.5万千米，距离地球44.9万千米，这是人类首次在此地搭建对月中继通信的卫星。
中继星飞行示意图
为什么要选择L2点？这是因为L2点是地月系统引力平衡点之一，始终可以同时见到月球背面和地球。“鹊桥”在L2点能够相对稳定地开展工作，这个点可以进行对月球的背面和对地通信，及进行其他一些探测工作，其中包括对月球的探测和对深空的一些探测工作。
“鹊桥”除了执行测控、数传中继任务外，也担负着重要的科研任务。在它上面搭载了两台国际合作载荷—荷兰研制的低频射电探测仪和沙特研制的月球小型光学成像探测仪，可进行有关的研究。例如，荷兰的低频射电探测仪将与位于地球上荷兰境内的LOFAR低频天文阵列等地面天文观测设施联合，首次开展43万～46万千米基线的地月空间VLBI(甚长基线干涉测量，该技术是把几个小望远镜联合起来，达到一架大型望远镜的观测效果)射电干涉测量实验，还将与嫦娥四号着陆器上中方研制的低频射电频谱仪之间形成干涉测量，有望对来自宇宙黑暗时期和黎明时期的21厘米氢谱线辐射进行探测，研究在宇宙大爆炸后的几千万年到一两亿年间，宇宙如何摆脱黑暗，点亮了第一颗恒星。
要探月背，中继先行。2018年5月21日凌晨5时，一条火龙划破了西昌宁静的天空，一枚长征四号丙运载火箭携带中继卫星“鹊桥”升空，25分钟后，火箭将“鹊桥”送入地月转移轨道后与卫星分离，“鹊桥”开始奔赴月球方向的地月L2点，为年底即将发射的嫦娥四号保驾护航。
经过20多天的精确飞行，承担嫦娥四号中继通信任务的“鹊桥”不畏宇宙射线、太空碎片的袭扰，跨越40多万千米于6月14日成功抵达绕地月L2点的Halo轨道，正式进入预定位置。随后“鹊桥”开始积极“备战”，为即将到来的嫦娥四号月球探测器打好前站、扫清障碍，搭建一条连接地球和月球信息的“生命线”。至此，20世纪50年代国际航天界提出的中继星Halo轨道的概念，被中国航天人变为现实。
“鹊桥”在这个轨道上运行时就像调皮的孩子，只要有一段时间不关注就会“离家出走”，甚至不知所踪。为了完成嫦娥四号探测器与地面测控站之间的数据中继，需要中继卫星时刻保持高稳定、高精度的姿态和角度，否则就会影响信息的传输，甚至影响嫦娥四号任务的完成。
为了让“鹊桥”在它的位置上老老实实地待着，顺利完成任务，中国的航天人采用了很多方法。专家们把提升航天器自主控制的智能化水平、精准化程度放在首位，在轨道控制策略上设计了速度增量关机和时间关机两种模式，对轨控关机前的发动机脉宽进行了精确设计。此外，他们专门为“鹊桥”量身定制了具有高智能化水平、全天候、全天时、全空域运行能力的光纤陀螺惯性测量单元，彻底摆脱了之前姿态敏感器需要借助地球、太阳等天体来定位的束缚。为了防止信号中断、信息传送不准确，专家们为“鹊桥” 配了多部“手机”。地面工作人员可以同时给这几部“手机”打电话，发出相同的遥测指令，规避因为距离远或其他未知因素造成的信号中断、信息传送不准确等问题。此外，“鹊桥”装备的S频段数字化深空应答机是我国首臺数字化深空应答机，不仅具有对错误数据自我修正的功能，而且具有强大的灵敏度和信号捕获能力，为航天器稳定运行再上一道“安全锁”。同时，“鹊桥”装备的4.2米口径的高增益伞状抛物面天线，是人类深空探测任务史上口径最大的通信天线，可以实现对地、对月、对日和对惯性空间任意目标指向与跟踪的三轴稳定控制，将为“嫦娥四号”着陆器、巡视器与地面站之间的测控与数据传输提供有力支撑。 (沈羡云)
此外，利用月球背面保存的最古老月壳岩石的独特条件可以开展地质特征调查，有望在国际上首次建立集地形地貌、浅层结构、物质成分于一体的综合地质剖面和演化模型，获得对月球早期演化历史的新认知。把月球研究好了，对研究整个地球未来的演化、全球温室效应、气候变化等都会有很好的帮助。
“嫦娥四号”将进行哪些科学研究
嫦娥四号的基本架构继承了嫦娥三号的着陆器和月球车，但科学载荷会有很大的变化。与嫦娥三号类似，嫦娥四号的着陆器上仍装有降落相机、地形地貌相机，并增加了国内新研发的低频射电频谱仪，以及德国的中子与辐射剂量探测仪，去掉了月基光学望远镜、极紫外相机。低频射电频谱仪将利用月球背面没有地球电磁波干扰和天然洁净的环境，研究太阳爆发、着陆区上空的月球空间环境，还可以对来自太阳系行星的低频射电场进行观测，并“聆听”来自宇宙更深处的“声音”。德国的中子与辐射剂量探测仪能探测着陆区的辐射剂量，评估未来载人登月航天员的危险度，提供相应辐射防护的依据。嫦娥四号的月球车上仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪，同时增加了瑞典的中性原子探测仪，去掉了粒子激发X射线谱仪。瑞典的中性原子探测仪对于解决太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题有着重要的意义。
要实现嫦娥四号任务的工程目标，需突破4项关键技术，包括在复杂地形环境条件下的安全着陆、地月L2点轨道设计与控制、地月L2点远距离中继通信，以及同位素温差发电与热电综合利用。
嫦娥四号的三大科学研究是：①对月球背面的环境进行研究；②对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究；③最大的特色是在月球背面不受太阳的影响，在月球背面和中继星上分别装上低频射电探测仪，进行有关的研究。
如果嫦娥四号进展顺利，中国还将发射更多的无人探测器，并在15年内实现载人登月。
嫦娥未动“鹊桥”先行
为何嫦娥未动，“鹊桥”先行呢？这与嫦娥四号的任务有关。嫦娥四号是世界上第一个在月球背面软着陆的航天器。月球背面有很多的环境和条件是未知的，地形也非常复杂，嫦娥四号要实现在月球背面着陆并将月球探测的信息传到地面，有一个特殊的难题—通信。由于月球对通信信号的阻挡，从地面上很难指挥月球背面探测器的工作。为此，中国还要向月球背面和地球同时可见的地月L2点发射一颗名叫“鹊桥”的中继卫星，来执行测控、数传中继任务。“鹊桥”架设在这个轨道上，既能“看见”地球，又能“看见”月球，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换。它距离月球6.5万千米，距离地球44.9万千米，这是人类首次在此地搭建对月中继通信的卫星。
中继星飞行示意图
为什么要选择L2点？这是因为L2点是地月系统引力平衡点之一，始终可以同时见到月球背面和地球。“鹊桥”在L2点能够相对稳定地开展工作，这个点可以进行对月球的背面和对地通信，及进行其他一些探测工作，其中包括对月球的探测和对深空的一些探测工作。
“鹊桥”除了执行测控、数传中继任务外，也担负着重要的科研任务。在它上面搭载了两台国际合作载荷—荷兰研制的低频射电探测仪和沙特研制的月球小型光学成像探测仪，可进行有关的研究。例如，荷兰的低频射电探测仪将与位于地球上荷兰境内的LOFAR低频天文阵列等地面天文观测设施联合，首次开展43万～46万千米基线的地月空间VLBI(甚长基线干涉测量，该技术是把几个小望远镜联合起来，达到一架大型望远镜的观测效果)射电干涉测量实验，还将与嫦娥四号着陆器上中方研制的低频射电频谱仪之间形成干涉测量，有望对来自宇宙黑暗时期和黎明时期的21厘米氢谱线辐射进行探测，研究在宇宙大爆炸后的几千万年到一两亿年间，宇宙如何摆脱黑暗，点亮了第一颗恒星。
要探月背，中继先行。2018年5月21日凌晨5时，一条火龙划破了西昌宁静的天空，一枚长征四号丙运载火箭携带中继卫星“鹊桥”升空，25分钟后，火箭将“鹊桥”送入地月转移轨道后与卫星分离，“鹊桥”开始奔赴月球方向的地月L2点，为年底即将发射的嫦娥四号保驾护航。
经过20多天的精确飞行，承担嫦娥四号中继通信任务的“鹊桥”不畏宇宙射线、太空碎片的袭扰，跨越40多万千米于6月14日成功抵达绕地月L2点的Halo轨道，正式进入预定位置。随后“鹊桥”开始积极“备战”，为即将到来的嫦娥四号月球探测器打好前站、扫清障碍，搭建一条连接地球和月球信息的“生命线”。至此，20世纪50年代国际航天界提出的中继星Halo轨道的概念，被中国航天人变为现实。
“鹊桥”在这个轨道上运行时就像调皮的孩子，只要有一段时间不关注就会“离家出走”，甚至不知所踪。为了完成嫦娥四号探测器与地面测控站之间的数据中继，需要中继卫星时刻保持高稳定、高精度的姿态和角度，否则就会影响信息的传输，甚至影响嫦娥四号任务的完成。
为了让“鹊桥”在它的位置上老老实实地待着，顺利完成任务，中国的航天人采用了很多方法。专家们把提升航天器自主控制的智能化水平、精准化程度放在首位，在轨道控制策略上设计了速度增量关机和时间关机两种模式，对轨控关机前的发动机脉宽进行了精确设计。此外，他们专门为“鹊桥”量身定制了具有高智能化水平、全天候、全天时、全空域运行能力的光纤陀螺惯性测量单元，彻底摆脱了之前姿态敏感器需要借助地球、太阳等天体来定位的束缚。为了防止信号中断、信息传送不准确，专家们为“鹊桥” 配了多部“手机”。地面工作人员可以同时给这几部“手机”打电话，发出相同的遥测指令，规避因为距离远或其他未知因素造成的信号中断、信息传送不准确等问题。此外，“鹊桥”装备的S频段数字化深空应答机是我国首臺数字化深空应答机，不仅具有对错误数据自我修正的功能，而且具有强大的灵敏度和信号捕获能力，为航天器稳定运行再上一道“安全锁”。同时，“鹊桥”装备的4.2米口径的高增益伞状抛物面天线，是人类深空探测任务史上口径最大的通信天线，可以实现对地、对月、对日和对惯性空间任意目标指向与跟踪的三轴稳定控制，将为“嫦娥四号”着陆器、巡视器与地面站之间的测控与数据传输提供有力支撑。 (沈羡云)