科学视界｜神秘的月之暗面

1969年，阿波罗11号在月球着陆，宇航员尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）走下舷梯，说出了经典名言：“这是个人的一小步，却是人类的一大步”。

而这一刻，也注定要在人类的太空探索史上留下浓墨重彩的一笔。2019年1月3日，在飞行约40万公里之后，“嫦娥四号”探测器翩然落月，成功降落于月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，实现了人类探测器首次月球背面软着陆和首次月背与地球的中继通信，从而开启了人类月球探测的新篇章。

2019年正值人类登月50周年。人类追寻月亮、探索宇宙的脚步，永不停歇。

嫦娥四号：华丽逆袭的“备胎”

2018年12月8日凌晨02:23分，嫦娥四号月球探测器由长征三号乙改进型运载火箭成功发射。嫦娥四号将对月球背面南极艾特肯盆地开展着陆巡视探测，实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。

从“备份”到“备受瞩目”

这几年，有个叫做“备胎逆袭”的词语很火，但谁能想到，如今备受瞩目的嫦娥四号，最早的身份竟是“备胎”，甚至一度计划取消发射！

2013年12月14日，嫦娥三号月球探测器在月球西北部成功软着陆，中国成为世界上第四个掌握月球探测登陆技术的国家。但与此同时，作为嫦娥三号备份星的嫦娥四号，身份就异常尴尬了。

所谓“备份星”是指在先导星工作失效的情况下，接替先导星工作的卫星。在嫦娥系列卫星中，嫦娥一号、三号、五号这几个奇数命名的探测器是先导星，偶数则为正星的备份星。也就是说，嫦娥四号诞生之初，是个不折不扣的“备胎”。

因此，关于“嫦娥四号做什么”的讨论，相关科研人员一度产生了分歧，争执辩论了2年时间，有人甚至提出“节约资金不发射”的主张。举棋不定之时，“嫦娥”系列月球探测器总指挥兼设计顾问叶培健院士站了出来，他不仅主张发射嫦娥四号，还主张让嫦娥四号到月球背面去看一看。

按照最早的计划，即便嫦娥四号进行发射，降落点也在月球正面。但叶培健院士却认为，再落一次月球正面意义不大，他向主管领导提议，“落到月球背面，成功了是一大亮点，即便不成功，也是人类第一次，可以原谅。”功夫不负有心人，有关单位组织了多次讨论之后，终于通过了月球背面降落的方案。

“嫦娥奔月之路”（来源 北京科技报 | 科学加）

“鹊桥”牵线，“长三”铺路

不过，降落月球不是车场倒库，正面背面一字之差，技术难度却是天壤之别，最棘手的就是通信问题，也是人类从未涉足的重要原因之一。因此在飞行器登陆之前，必须先发射中继卫星来进行通信传输。

2018年5月21日5时28分，嫦娥四号的先行者“鹊桥号”中继星在我国西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射；6月14日11时06分，“鹊桥号”中继星成功实施轨道捕获控制，进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点Halo使命轨道。它将在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试，并为嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。

此次嫦娥四号的着陆器和巡视器（月球车）由长征三号乙（CZ-3B）运载火箭发射，送入倾角28.5°、近地点高度200 km、远地点高度约42万 km的地月转移轨道，正式开启揭开月球背面神秘面纱的征程。

嫦娥四号为何不在最新落成的海南文昌基地发射？原中国载人航天工程应用系统总指挥、现任中国空间学会副理事长张厚英告诉北京科技报记者，文昌发射基地主要发射大型运载火箭，此次发射卫星的长征三号乙运载火箭，属于中型火箭，从节约资源、提高效率的角度看，西昌发射中心完全可以满足发射要求，也就无需“跨洋过海”去海南发射了。

2019年1月3日，“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。

载荷强大，“体重”最轻

此次，由中国航天科技集团有限公司研制的嫦娥四号着陆器和月球车，尽管外形上和嫦娥三号月球车“玉兔”颇为相似，但实际上，针对月球背面复杂的自然环境，在适应性更改和有效载荷配置调整方面，嫦娥四号进行了多项有针对性的调整。

在温度控制防护方面，更好迎战昼夜极热极冷的月面环境，是嫦娥四号月球车升级提高的重要方向之一。为了保证所有设备在月夜零下180℃的环境中不被冻坏，科研人员专门配置了同位素热源为仪器设备供热。除了温度控制防护之外，嫦娥四号月球车还针对线路方面，进行了设计改进和试验验证，使着陆器具备了很高的自主导航和避障功能。

在科学载荷方面，嫦娥四号月球车延续了“玉兔”当年探月国产“三大件”，即全景相机、红外成像光谱仪和测月雷达。除此之外，嫦娥四号月球车还有一个“杀手锏”，那就是与瑞典合作的中性原子探测仪，这将是人类探月史上首次在月表开展这项探测活动。

值得一提的是，嫦娥四号月球车的总重量只有140千克，是目前全球最轻的月球车。而1970年苏联发射的世界第一台无人驾驶月球车，重量约为756千克。

作为嫦娥四号的“乘客”之一，月面微型生态圈也将入主月球，用于天体生物学实验和大众科普，使得嫦娥四号同时具备了科普教育功能。据了解，这个生态圈是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形罐子，重3千克，罐内将放入马铃薯种子、拟南芥种子、蚕卵、土壤、水、空气以及照相机和信息传输系统等科研设备。届时，研究人员将密切关注罐内变化，看看能否开出一朵“月球花”。（北京科技报 | 科学加记者 赵天宇）

神秘的月之暗面

有人说，

在月球背面发现了百慕大失踪的飞机；

也有人说，月球背面沟壑当中隐藏着

外星人的飞船，

还有外星人建立的宇宙基地……

几十年来，关于月球背面的谣言不绝于耳，由于月球的自转和公转周期相同，导致月球背面无法被直接观测，又由于月球整体的阻拦，背面更是成了通信和监控的盲区。历史上，没有宇航员，也没有任何探测设备降临这里，对于人类来说充满了未知。

嫦娥四号月球探测器

为什么我们永远看不见月背？

生活在地球上的人类，最熟悉的两个天体是太阳和月亮。因为月球将她圣洁的光辉洒向大地，自古以来，激起人们无限的遐想和憧憬，萌发出各种神话传说、宗教信仰、哲学思想、文学艺术和风俗传统，比如嫦娥奔月、玉兔、中秋节等。月球为古代的历法编制、农耕时令和社会发展发挥过重大作用。月球象征着宁静、温馨、和谐、思亲团圆和美满。中国人凡是好事都叫花好月圆，月亮是喜庆的天体。

我们真正每天看到的月亮，其实是月球的正面。其上有很多黑斑，这是原来砸在月球的小天体撞击出来巨大的盆地，盆地深部的岩浆上升，形成大量的火山喷发，火山熔岩流填平盆地成为辽阔的平原即月海。

月球一直在按照逆时针方向自转，同时月球还围绕着地球同样逆时针方向公转。我们站在地球上看它转一圈，这不就是背面和正面都能看见了吗？但为什么在地球上就看不见？因为月亮和地球的关系特别奇特，月亮自转一圈就是它的一天与绕着地球公转一圈的时间相等，也就是我们常说的“潮汐锁定”。

月亮绕地球公转一圈需要接近一个月，而它自传一圈也是接近一个月，因而月亮上的一天接近我们地球上的一个月，白天半个月，晚上半个月。很多人认为月亮的那半边永远不朝向地球就永远是黑暗的，所谓的“黑月亮”，这是误解。

月亮这边是白天，背后就是黑夜；背后天亮了，这边是黑夜。嫦娥三号落在月亮上要过夜，晚上约有半个月长，零下180℃的温度能把探测仪器全部的电子线路冻坏。所以科研人员在仪器箱里装了“暖气”，原子能电池一直在放热，使温度保持在零下40℃以上。第二天天亮了又能够继续工作了。

月背是什么样的？

与正面以月海平原为主不同的是，月球背面基本上都是山地、高原，布满了撞击坑，环境十分复杂。打个比方来说，月球正面的月海如果是华北平原的话，那月球背面的月陆就是横断山脉。

阿波罗载人登月计划放置了5台月震仪在月球表面，月球有点月震的话可以测出来。小天体撞击月球产生的弹性波也可以记录。根据弹性波传播的速度，从而可以划分出月球内部的结构，划分出月壳、月幔和月核的大小和厚度。

月球内部的重力场，正面和背面差别也很大，表明正面和背面内部物质的分布差异很大，演化的历史也有很大的差异。

我国的嫦娥一号和二号都获取了全月球表面的各种化学成分、岩石类型和分布，正面与背面差异也很大。四川的攀枝花钢铁厂用的矿石是钛铁矿。月球上的钛铁矿极其丰富，品位与攀枝花相当，主要分布在正面的月海里，分布面积接近于中国的国土面积，钛资源储量可观。月球的表层土壤中，富含太阳风注入的氦-3，氦-3有可能成为核聚变发电的重要原料。月表土壤中氦-3的资源量，经“嫦娥一号”探明大约有120万吨，是足够全人类使用一万年以上的清洁能源。

宇宙的几厘米到十米波长波段的甚低频无线电信号，完全被我们地球的电离层干扰根本进不来，因而地球和月球的正面对于这一波段完全是盲区。而月球的背面却是最好的探测位置。科学家期盼在月球背面开展特殊频率的天文观测，这将可以知道宇宙最初发生的一些特殊事件。

由于月亮的质量相当于地球的1/81，月球表面的引力只有地球的1/6，没有能力维系表面的大气层，月球的表面近于超高真空。既然是超高真空，月亮表面的空间没有任何介质传播声音，因此月球是一个没有任何声响的世界，是一个死寂的世界；由于是真空也没有温度的传导，假如我是一个宇航员，站在月球上前胸照着太阳，温度在110-130℃，地球上没有那么热的地方；照不着太阳的后背，零下一百多摄氏度；月亮上的环境简直恶劣透了。月亮上没有发现有机化合物，也没有任何生命活动的迹象。

2019年1月4日，中国国家航天局发布消息说，嫦娥四号着陆器与被命名玉兔二号月球车的巡视器分离后按计划开展相关任务，部分有效载荷已开机工作，玉兔二号则继续在月球背面行走。当天，玉兔二号已与“鹊桥”中继星成功创建独立数传链路，并完成环境感知、路径规划，按计划在月面行走到达预定的A点，开展科学探测。图为着陆器地形地貌相机拍摄的玉兔二号在A点影像图。

在月球背面软着陆难度有多大?

我们为何要去月球背面？有一种观点认为，月球背面并没有什么科学价值。但实际上，如同人类在地球上探测南极、北极这些地方一样，月球背面是人类航天器还没有着陆过的处女地，既有望获得有价值的重要科学发现，也有利于突破技术难关，提升航天技术能力。

月球是屏蔽地球上的无线电噪声的最好隔绝装置，因此在月球背面放置射电望远镜，有利于探测和发现宇宙中极微弱的射电信号。

但是，月球背面降落的难度着实不小。正面的月海平原颜色较深，地形比较平滑；而月球背面以月陆为主，地形崎岖，南部有一个巨大的撞击盆地。历史上所有的月球探测器，在月球的降落点无一例外都是地形平坦、光照充足、通信情况良好的地区，并且都是月球正面。但嫦娥四号恰恰相反，选择月球背面降落，颇有“明知山有虎、偏向虎山行”的意味。

具体来看，在月球背面登陆还有许多需要解决的问题，例如在太阳板失效的情况下，如何保证登陆器正常发挥功能？在月夜超低温环境下，登陆器如何不受干扰？月球背面崎岖的地形上，登陆器如何准确着陆？此外，月球背面等离子体环境更加恶劣，对登陆器也是个不小的考验。

2007年，“探月工程先驱者”嫦娥一号以受控撞月的方式“粉身碎骨，捐躯报国”，额外完成任务；2010年，嫦娥二号在制作完全月球地图之后远飞深空，至今仍在不断地刷新着“中国高度”；2013年，嫦娥三号与她所携带的“玉兔号”月球车一同实现了登陆月球。

沉寂了将近5年之后，如今“嫦娥”们将带着探月工程的使命继续出发，中国人自古以来的探月梦想，也将一步一步变为现实。（北京科技报 | 科学加记者 赵天宇 本文部分资料源于欧阳自远院士2018年3月31日在中国科技馆的演讲）

（本专栏与“科学加”客户端合作建设 视频制作| 澎湃新闻 || 责任编辑 王小宁 吉菁菁（特约））

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