石豪：玉兔二號每邁出一步，需要付出多少努力
【文/觀察者網專欄作者 石豪】
北京時間2019年1月3日10時26分，嫦娥四號探測器在月球背面的馮·卡門撞擊坑預定區域成功着陸；22時22分，玉兔二號月球車成功與嫦娥四號着陸器分離，在月球背面留下了屬於中國的第一道印記。
至此，人類歷史上第一次月球背面着陸，圓滿成功。
圖片來源 @China Daily
這是嫦娥四號任務系列文章的第四篇，在嫦娥四號登月成為世界焦點的今天，筆者就和各位讀者談一談嫦娥四號的設計與亮點。
月背航跡
月球的背面是一片崎嶇之地。
由於月球的同步自轉，月球的背面絕大部分區域都是終年朝向太空的。
因此，月球背面比常年面向地球的正面更容易遭受小天體撞擊，地形也更加不平整，撞擊坑、環形山隨處可見。
月球正面與背面地形對比 | 圖片來源 李飛等@中國空間技術研究院
而在其中，也藴藏着更令科學家興奮的寶地。
南極-艾特肯盆地（South-Pole Aitken Basin, SPA），直徑達2000~2600千米，垂直落差13千米，是太陽系中規模最大、最古老、最深的撞擊盆地之一，科學研究價值極高。
南極-艾特肯盆地 | 圖片來源 Lunar Reconnaissance Orbiter @NASA
嫦娥四號的着陸地點，就選在南極-艾特肯盆地中的馮·卡門撞擊坑。
儘管嫦娥四號是嫦娥三號的備份，但在下降着陸策略上，二者卻有着很大不同。
究其原因，嫦娥三號的着陸區選擇在月球正面的虹灣，地勢平坦，航跡高程起伏最大僅3千米，且呈現由南向北逐漸降低的趨勢，便於探測器着陸。而嫦娥四號着陸區，地勢崎嶇，航跡高程起伏陡增至7千米，且變化不規律。
嫦娥三號與嫦娥四號着陸區高程對比 |圖片來源 李飛等@中國空間技術研究院
嫦娥三號在開始動力減速的時候，就利用測距數據修正偏差，使落月過程平穩順暢。但嫦娥四號如果繼續採用嫦娥三號的控制方案，將導致測距波束指向與實際落點不同的位置，為落月帶來安全隱患。
嫦娥三號與嫦娥四號動力下降過程 |圖片來源 李飛等@中國空間技術研究院
因此，嫦娥四號的動力下降過程，採用了更為陡峭的軌跡——着陸器在經歷主減速段減速後，採用近乎垂直的運動，使測距波束確實指向着陸點位置，保證高度方向導航結果的正確性。再通過接近段、懸停段和避障段，分別實現粗避障、高精度三維成像和精避障，並在緩速下降段保持着陸位置，成功實現了大範圍粗避障、小範圍精避障和着陸位置保持的接力避障模式——當然，這一切都是自動進行的，無需地面指控中心干預。
最終，在先進的制導導航控制系統（GNC）的指引下，嫦娥四號成功降落於月球南緯45.5度，東經177.6度的預定着陸點，正中靶心。
嫦娥四號着陸點 | 圖片來源 吳偉仁等@探月與航天工程中心，着陸點由筆者添加
精巧設計
1月3日11時40分，嫦娥四號着陸器監相機C獲取了世界第一張近距離月背影像圖，並通過萬里之外的鵲橋號中繼星傳回地球。
圖片來源@中國探月
“終點站馮·卡門撞擊坑到了，請全體旅客下車。”
嫦娥四號着陸器的“乘客”，就是玉兔二號月球車，是嫦娥四號的月面巡視器。
由於着陸器的底部是7500N變推力發動機，以及配套的隔熱屏障，我們的玉兔二號是不能安裝在着陸器下方的，只能“頂在”着陸器的最上面。
嫦娥四號着巡組合體 | 圖片來源 吳偉仁等@探月與航天工程中心
為了把玉兔二號順利轉移到月面，匠心獨運的中國航天人設計了精巧的轉移機構。上圖中的黑色部分即為轉移機構的懸梯。
具體的過程是：兩根懸梯先向上展開到位，鎖定；玉兔二號再自行行駛到正確位置，懸梯連桿在“小兔子”的重力和電機的共同作用下，將懸梯下放到位；最後玉兔二號沿懸梯駛向月面。
轉移機構工作模式 | 圖片來源 劉賓等@中國空間技術研究院
1月3日22時22分，玉兔二號駛抵月球表面，在下面這張同樣由着陸器監視相機C拍攝的照片中，我們能清楚地看到完全展開的懸梯機構。
圖片來源@中國探月
還是在這張玉兔二號駛抵月球表面的照片中，眼尖的朋友發現在玉兔左邊的月球表面，有一道閃閃發亮的條帶。
筆者分析，這應當是陽光照到月球車側面，反射到月球表面的結果。
我們不妨通過玉兔號的熱控設計，瞭解一下玉兔二號的情況。玉兔號巡視器的表面由OSR散熱面、F46鍍銀二次表面鏡和多層隔熱組件包裹，既能夠在高温情況下通過OSR和鍍銀二次表面鏡散熱，又能在低温下通過多層隔熱組件保温。
玉兔號巡視器散熱面佈局 | 圖片來源 劉自軍等@中國空間技術研究院
在玉兔二號登上月球的時候，太陽光從圖片的左後方射入，通過玉兔二號左側太陽能帆板與主體間的縫隙，照射到主體上方的鍍銀二次表面鏡上，並被反射到月球表面。
作為嫦娥三號的備份，嫦娥四號探測器上的許多精巧設計都經歷了嫦娥三號的飛行考驗，值得信賴。嫦娥四號任務的順利進行，與嫦娥三號積累的寶貴經驗是分不開的。
創新爭先
嫦娥四號着巡組合體，繼承了嫦娥三號的優秀基因，但嫦娥四號並沒有躺在功勞簿上因循守舊，而是針對新任務進行了大膽創新。
受到地球電離層的影響，人類無法在地球上展開頻率低於10MHz的射電天文觀測。即使在地球軌道和月球正面，射電天文觀測也會受到地球電離層反射和人工無線電的干擾。
而在月球背面，人工無線電干擾被屏蔽，大氣層活動產生的電波也被屏蔽，甚至在月夜期間連太陽的電磁輻射也被屏蔽，這使得月球背面成為低頻率射電天文觀測的絕佳地點。
因此，與嫦娥三號不同，嫦娥四號的主要有效載荷除了必備的地形地貌相機和降落相機以外，選擇了低頻射電頻譜儀和德國基爾大學的月球中子及輻射劑量探測儀（LND），填補了100~1000kHz射電天文觀測的空白，有望產生一系列天文和空間物理科學的原創性成果。
嫦娥四號着陸器外觀 | 圖片來源@中國空間技術研究院
上圖中，三根長長的天線就是嫦娥四號低頻射電頻譜儀的三分量有源天線單元。頻譜儀工作在0.1~40MHz頻段，三根天線分別接收電磁波信號在三維空間內三個互相垂直的分量，可以獲得低頻電磁波的強度、頻譜、時變、偏振特性以及輻射源方位等信息。
目前，嫦娥四號的低頻射電頻譜儀天線已經展開到位。
另一個值得關注的創新點，是嫦娥四號終於用上了中國自己的同位素温差發電機（RTG）。
同位素温差發電機是一種用於深空探測頗為理想的電源，它通過放射性同位素的衰變產生的熱量進行發電，既能使探測器飛離太陽時不依賴太陽能電池供電，又能提供充沛的熱能，確保探測器不在酷寒的深空中“凍死”。
在嫦娥三號任務中，我們採用的只是同位素熱源（RHU），只能為探測器提供熱，不能供電。而在嫦娥四號上，筆者欣喜地看到，我們終於擁有了基於鈈238的同位素温差發電機，能夠在供熱的同時，在月夜為探測器提供不低於2.5W的電能。
儘管中國的航天級RTG依然處在發展階段，但筆者看到的，是走向月球以遠的中國深空探測的未來。
未來，我們要去火星，去木星。
未來，在建國100週年的時候，我們的深空探測器會在天王星向祖國發來最遙遠的祝福。
未來，觸手可及。
圖片來源@中國探月
參考文獻
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