嫦娥玉兔完成喚醒設置繼續開工：嫦娥四號月球背面工作795個地球日

本文轉自一席

馬傳令，北京航天飛行控制中心工程師。

“嫦娥四號”探測器在着陸的時候有可能會掉到坑裏。沒辦法，最後我們還是把着陸點臨時又調整了1.7公里。我們當時還挺懊惱的，心說好不容易瞄了個十環，你非要讓我把它掰成九環。不過我們這個團隊的負責人，也是我的一個老組長，他安慰我說，我們做航天飛控工作不只是爲了炫技、炫精度，最重要的還是航天器的安全。

月背征途

2021.04.17 上海

大家好，我叫馬傳令，是北京航天飛行控制中心的一名工程師，也是剛剛結束的“嫦娥五號”任務的軌道總體主任設計師。

其實航天是一個非常複雜的系統工程。有人說航天事業是“萬人一杆槍”，其實一點都不誇張，每個人的力量好像都很渺小，但實際上每個人的破壞力都是很大的。航天器上的一個螺絲釘沒有擰緊，可能都會導致航天器的任務失敗。在這麼複雜的航天系統裏邊，我們北京航天飛行控制中心是幹什麼的呢？

在新聞報道中，大家可能經常會聽到“各號注意，我是北京”這樣的聲音，那個“北京”就是指我們北京航天飛行控制中心。

簡單比喻下，如果把“嫦娥五號”探測器比作一個無人駕駛的太空飛車，航天五院和八院可能就是汽車製造商，我們就是遠程遙控它的駕駛員。火箭將探測器從地面送到地球上空以後，我們的工作就開始了。

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人類從何時開始探月的呢？1959年的時候，蘇聯就已經發射了第一顆月球探測器——“月球一號”。隨後美國和蘇聯在接下來的20年，陸續向月球發射了幾十顆月球探測器，也正是因爲他們對月球的瘋狂探測，大大地豐富了大家對月球的認知。

我們爲什麼要探索月球呢？月球探測活動可以爲我們未來利用和開發月球能源做好準備工作，比如說在月球的土壤中大約含有100萬噸的氦-3，

科學家認爲這是完美的核能源，可以滿足地球一萬年的能源需求。所以也有很多人說，月球是21世紀的波斯灣。

還有很多科學家說月球是從地球上撕裂出去的，所以研究月球也是研究地球起源和演化的一個最佳樣本。另外如果我們以後想走向更遠的深空，火箭能力不足的話，月球也是一個非常好的天然跳板，幫助我們從月球出發，再去向更遠的深空。

 2 

我國的科學家們從1994年開始研究探月的必要性和可行性，經過大約十年的醞釀後，最終確定了“繞、落、回”三步走來探索月球。

2007年10月24日，“嫦娥一號”衛星搭乘着“長征三號甲”運載火箭，從中國的西昌衛星發射中心發射升空。

這個火箭其實很瘦小，所以它沒辦法把“嫦娥一號”衛星直接送到月球上去，於是我們給它設計的路線，是先把“嫦娥一號”送到一個環繞地球的大橢圓軌道，再通過三次加速，把它送到地月轉移軌道。

當它靠近月球時，速度大約是2.4公里/秒，如果這個時候不減速的話，它就會跟月球擦肩而過，飛向更遠的深空。所以我們就在此時又對它做了三次減速。

爲什麼這裏要分成三次剎車，不一腳把剎車踩到底呢？其實是因爲我們對月球的認知還不是很夠，這樣做就不存在撞月的風險了。

在這個項目中，“嫦娥二號”也出場了，它是“嫦娥一號”的備份星。

什麼是備份星呢？因爲我們國家的航天任務有一個習慣，如果“嫦娥一號”在發射或者是飛行的過程中出現故障，我們需要有一個衛星補位，而“嫦娥二號”就是給“嫦娥一號”及時補位的那個衛星。

但是“嫦娥一號”任務成功了，我們就給本來作爲備份星的“嫦娥二號”定了一些其他目標，一個是用“長征三號甲”火箭直接把它送向了地月轉移軌道，

不再像之前一樣需要經過三次加速，驗證了我們已經可以實現直接地月轉移技術。

還有一個就是，在它環月期間，我們對月球的全球面進行了一次高分辨率7米的成像，

▲“嫦娥二號”拍攝的全月圖，分辨率7米

隨後“嫦娥二號”對“嫦娥三號”即將着陸的月球虹灣區域，進行了一個更高分辨率的，分辨率1米的成像。

“嫦娥二號”的使命到這裏已經全部完成了，但是因爲它還剩了很多燃料，我們不希望讓它像“嫦娥一號”一樣，最後撞到月球上來結束它的壽命，所以就繼續給它規劃了新的任務，讓它繼續飛行。

當它飛行了77萬公里後，到達了太陽和地球的引力平衡點L2，並對這個地方的空間環境進行了探測。

隨後我們又控制它飛行了700萬公里，與圖塔蒂斯小行星進行了一個交會實驗。科學家一般形容我們這個實驗的難度就像是在操控兩顆萬米高空飛行的子彈。

而後我們就沒有再管它，讓它自己自然而然地飛走了。但是我們一直還在跟蹤它，到目前爲止“嫦娥二號”已經飛到了離地球幾億公里的地方，還在繼續向宇宙深處飛行，但是我們已經無法知道它到底看見什麼了。

“嫦娥一號”、“二號”完成了“繞”的目標，“嫦娥三號”主要的目標就是“落”。“嫦娥三號”是真正意義上的一個探測器，它包括着陸器和巡視器。我們給巡視器起了一個非常棒的名字，叫“玉兔一號”，讓它來陪伴嫦娥。

2013年12月14日，“嫦娥三號”探測器成功地在月球正面的虹灣區域進行了軟着陸，它也是中國第一個在月球表面着陸的航天器。但是後來發生了一個小問題，“玉兔一號”在行進過程中出現了一個技術故障，最終在月面上只行駛了114.8米就歇菜了。

我是2010年到北京航天飛行控制中心工作的，非常榮幸地參加了“嫦娥二號“、”嫦娥三號“任務，但是讓我印象最深刻的是“嫦娥四號”任務，我一步一步成長到開始深度參與任務就是從這裏開始的。

“嫦娥四號”這項任務爲什麼讓我印象深刻呢？

 3 

首先，“嫦娥四號”是人類歷史上首次在月球背面進行軟着陸和巡視探測。大家回憶一下在看月亮的時候，其實除了陰晴圓缺之外，每次看到的圖案是不是都是一樣的？其實這是一個非常特殊的天文現象，叫潮汐鎖定。

因爲月球圍繞地球公轉的週期跟它自轉的週期是一樣的，所以月球始終只有一面對着我們。也正是因爲我們看不到它的背面，大家就有了很多猜測，比如科幻小說裏會說月球的背面是不是有UFO，是不是有外星人基地什麼的。

剛纔提到美國和蘇聯在之前已經往月球上發射了幾十顆探測器，但是其實那些都是集中在月球的正面。

這主要是因爲我們地面和月球背面沒有辦法直接建立通信聯繫。那爲什麼即使這麼困難，我們還是決定讓“嫦娥四號”着陸到月球背面呢？

因爲月球背面有着很吸引人的科學探測價值。它跟月球正面不太一樣，月球正面比較平，而背面基本上整個都是崎嶇不平的地貌，全是環形山，還有一些古老的隕石。

特別是“嫦娥四號”計劃着陸的南極-艾特肯盆地，它是太陽系裏第二大的超級隕石坑，我們去這個地方探測的話，能夠爲科學家們提供更多的關於月球研究，包括地球起源、太陽系起源的資料。

除此之外，月球背面有着更加純淨的空間電磁環境，因爲月球自己有遮擋，地球的很多射線的干擾是到不了月球背面的，所以在月球背面可以開展很多在地球和月球正面沒法開展的空間觀測。

那麼我們和月球背面的通信是怎麼建立的呢？當時我們的科學家們和工程師們反覆思考，最後還是採用了一個比較經典的方案，就是在月球附近布設一箇中繼衛星，然後把這個中繼衛星作爲連接地面和月球背面的一個通信基站，我們給它起了一個浪漫的名字——“鵲橋”。

我們經過了很多計算分析，最後決定把它放在地月L2的Halo軌道。

地月L2點就是地球和月球的五個引力平衡點之一，地球對這個地方的引力和月球對這個地方的引力處於平衡狀態。所以在這個地方，可能你稍微給它一點晃動它就走了，但是與此同時，這樣的話它只需要很少的燃料就可以長期地控制航天器圍繞Halo軌道飛行。

2018年5月21日，“鵲橋”中繼星在西昌衛星發射中心成功升空，經過我們中心五次精確的軌道控制，它在6月14日成功進入了Halo軌道。

“鵲橋”搭好之後，就該“嫦娥四號”探測器上場了。在“嫦娥四號”發射之前，聽到有人說中國人成功到達月球背面的概率都不到50%，先給我們潑了盆冷水，但是我們該發射還是要發射。

“嫦娥四號”探測器也是由兩部分組成——着陸器和巡視器。我們又給巡視器起了個名，叫“玉兔二號”，大家都說它是“玉兔一號”的妹妹。

在我們的計劃中，“嫦娥四號”是從西昌衛星發射中心發射，然後經過地月轉移的過程，就中間那個紅色的曲線，然後飛到月球。對這個軌道進行兩到三次修正後，在“鵲橋”的支持下，成功落在月球背面。

但是事實並沒有按照這個完美的計劃進行。

 4 

2018年12月8日，“嫦娥四號”按照計劃確實從西昌衛星發射中心發射了，但是剛發射不久就出現了一個突發狀況。

當時我們正在開會，航天五院的總設計師過來說，“嫦娥四號的探測器燃料泄漏了。“

我們趕緊對這個燃料泄漏的情況進行評估。因爲“嫦娥四號”探測器本身的可用燃料就很少，如果把所有的設計餘量都拿出來，還差10公斤，也就是說“嫦娥四號”沒有辦法落到月球背面了。

當時他把這個消息告訴會議室幾十個人的時候，大約有5分鐘的樣子，大家都沉默了，接着5分鐘以後，屋裏就炸開了鍋。

因爲大家其實在任務前會做非常多的準備工作，特別是這種複雜的應急處置工作，我們做的預案可能要比正常工作多幾十倍甚至上百倍——比如說一本正常飛行的方案可能就100頁，但是爲了防止它出現異常狀況，我們可能會做上萬頁的備份方案來解決這些問題。但是漏油這個問題，在這一萬頁裏都沒有。

後來大家就七嘴八舌各抒己見。一個專家說，能不能從後面用來動力下降的燃料中摳出十公斤來，我們用一下。但我們嫦娥通信指揮部的指揮長，也就是我們中心的李主任，他第一個跳出來說不行，因爲動力下降關係到“嫦娥四號”在月球背面着陸的安全性，“別說十公斤的燃料，一克燃料也不能摳。”

因爲嫦娥四號軌道控制方案是我們團隊和探測器系統共同設計的，當時李主任就給我們這個團隊下達了死任務——一定要想辦法把航天器控制到月球背面去。

燃料泄漏之後還有一個問題，我們可以看到這四個紅點就代表了這個探測器的四個燃料的儲箱，

它漏的時候不是四個燃料箱都漏了，而是漏了右下方的這一個，也就是說漏完之後，整個探測器它是一個一邊輕一邊重的狀態，是不平衡的。

如果在這種狀態下它的左右身體不平衡，導致動力下降，就有可能會摔下來，所以除了漏油以外，我們還必須要解決這個質心偏移問題。最後這個問題的唯一解決方案，就是我們需要更改“嫦娥四號”原本的行駛路線。

首先，我們把地月轉移過程中本該有的7500N發動機的試噴評估環節取消，以節省一些燃料。但是發動機的狀態也很重要，稍有偏差可能就撞月了，所以我們把近月制動時的軌道從100×100公里變成了100×430公里，然後在過程中評估7500N發動機的狀態。

在第一次近月制動完成以後，油不夠的問題基本解決了，發動機的狀況我們也摸清楚了，剩下還有兩次軌道修正，我們主要利用這兩次修正來消除剛纔說的質心不平衡問題。

這是怎麼做的呢？因爲現在有三個儲箱是沒有泄露的，這樣我就把它們三個進行搭配，每次不再使用二對二的模式，而是使用一對一的模式。

經過這三次軌道控制，我們還是達到了原來的預期目標，成功地把“嫦娥四號”探測器控到了100×100公里的軌道。

“嫦娥四號”探測器從西昌出發，一共飛行了幾十萬公里，飛行了25天，在我們做出這些調整之後，最終飛到這個地方的時候，實際跟計劃的時間只差了19秒。可以說我們幾乎是完美地到達了比賽的終點。

但是“嫦娥四號”的曲折還沒有結束，在它動力下降前6小時，也是一個外系統的同事過來說，“嫦娥四號”探測器在着陸的時候有可能會掉到坑裏。

可是一開始大家討論的時候，都認爲那地方不是個坑，還反反覆覆地考量過。沒辦法，最後我們還是把着陸點臨時又調整了1.7公里。

我們當時還挺懊惱的，心說好不容易瞄了個十環，你非要讓我把它掰成九環。

不過我們這個團隊的負責人，也是我的一個老組長，是個頂尖專家，他安慰我和我們團隊說，我們做航天飛控工作不只是爲了炫技、炫精度，其實最重要的還是航天器的安全。

說完之後我們也挺釋懷的，因爲大家總會有疏忽、考慮不周的地方，畢竟我們對月球的認識還沒有那麼精細。

最終在2019年1月3日10點26分，“嫦娥四號”探測器在“鵲橋”中繼衛星的支持下，還是成功着陸在月球背面南極-艾肯特盆地的馮卡門撞擊坑內。那個紅旗就是它落的地方，距離中心區域最終也就差了一點幾公里。

這是“嫦娥四號”探測器在動力下降過程中拍攝到的月球背面的圖像，

這是它落到月背以後，着陸器上的地形地貌相機對周圍的環境進行的360度環拍，中間的黑色區域是它自己（因爲它拍不到自己）。

“嫦娥四號”的整個飛行歷程確實很曲折，但結局還算圓滿，我們把它送到月球背面落下去以後，“玉兔二號”和它的駕駛員就該上場了。

 5 

“玉兔二號”的設計壽命其實是三個月，工作三個月以後就相當於超壽命在服役了，但是我們的駕駛員總體來說還是比較細心，到現在爲止“玉兔二號”已經在月球表面行駛了831天，695.8米。

大家可以看到背景圖上黃色的線就是它的行走軌跡，綠色的點是它停留的地方。爲什麼它會邊走邊停呢？大家從圖上也可以看到，上面的坑確實太多了。所以這就又延伸到另一個問題——玉兔車831天才走了695.8米，它爲什麼跑得這麼慢呢？

其實這有很多原因。一個原因是玉兔車其實不是全天候工作的，天冷的時候它要休眠，天熱的時候還要午睡。月球在中午太陽光比較強的時候，表面溫度達100多度，這個時候如果你強制去開車，很可能就會造成設備的故障和車體的損傷。

所以我們一般會提前找一個地方讓玉兔車這時候躲起來，實在不行的話我會把它的帆板都豎起來遮陽。

因爲月球上是沒有空氣的，太陽光白天照完之後，晚上它也沒法保溫，所以月球溫度在晚上很快就會降到零下190度，這個零下190度也是“玉兔二號”第一個測出來的。

但是晚上這麼冷，“玉兔二號”怎麼過夜呢？我們在它的肚子裏邊加了一個同位素熱源，它可以源源不斷地往外釋放熱量，就像暖寶寶一樣。

另一個原因就是剛才說的，月球背面坑太多了，玉兔車行駛的時候需要繞開這些坑。

不過駕駛員最怕的就是坑，科學家最喜歡的也是坑。因爲這些坑有很多都是地外的一些小行星、或者隕石撞擊到月球表面砸出來的坑。這個坑裏包含了很多宇宙裏的神祕物質，科學家對這些東西特別好奇。

但是這樣的話就會有一個矛盾，就是駕駛員希望車安全，開得穩穩地，離坑遠遠地，但科學家就希望離坑越近越好。於是大家有時候一開始還比較和氣，商量能不能過去看看，到最後就吵起來了。比如這個坑，我們單位的駕駛員們也比較有文采，給它起了個名叫“龍潭”。

這個坑的科研成果最後發表在《自然》雜誌上了，它整體比較大，當時去這個坑的時候，我們確實跟科學家吵了很多架。爲了接近這個坑，我們反反覆覆換了多個角度，最後光在這個坑附近可能就待了大約七八天的樣子。

再給大家介紹一下我們發現的“奇緣石”。最早的時候，我們行進的路線離這個石頭是很遠的，只是在照片上的一角看到了這個石頭。不過我們的駕駛員比較負責，他就告訴中科院的同志，說我們發現了一個石頭在那立着，不是躺着而是立着。科學家們說，那你們能過去看看嗎？然後我們就過去了。

過去之後發現它旁邊還有很多石頭，而且都比較高。我們要探測的那個石頭可能是18釐米左右，其他的石頭大概也有十幾釐米。“嫦娥一號”當時癱瘓了，我們後來分析原因可能就是電線被一個石頭刮壞了，所以我們很擔心“嫦娥二號”也出現這個問題。

最後大家一釐米一釐米地往前靠，在離石頭特別近的地方，用一個紅外相機和可見光相機，對這個石頭進行了一個高精度的成像。

關於這個石頭的探測成果最後也發表在了一個國際地質雜誌上。兩年多來，“玉兔二號”確實幫助科學家們取得了很多科學成果。

“玉兔二號”在月球背面還幹了一件非常重要的事，就是它把地球上的生物帶上了月球。科學家們精心挑選了六種生物，有棉花種子、油菜種子、馬鈴薯種子、擬南芥種子、果蠅、酵母菌。

這六種生物都非常典型，大家可以發現，在一個密閉的裝置裏邊，這六種生物可以組成一個微型的生物系統，有生產者、消費者和分解者。

在“嫦娥四號”落月四天以後，我們發現在月球上種的棉花竟然發芽了！

大家可以看到左邊這個圖是剛落下去的狀態，右邊是四天後的狀態，在這個方格子的中間可以看到綠葉，那就是棉花發的芽。

“嫦娥四號”的故事我就講完了，我們北京航天飛行控制中心之後還要承擔“嫦娥六號“、”嫦娥七號“、”嫦娥八號”，再往後還有2030年的載人登月等任務。以及現在大家都知道的，最近非常火的“天問一號”下個月就要着陸火星了，火星車馬上也將要開工，我們的火星車駕駛員最近還在閉關修煉中——月球都這麼難開，火星肯定更難開。此外，我們還在建設中國自己的空間站，在4月底馬上就要發射空間站的核心艙。

可以這麼說，我們中國航天人的腳步一刻也沒有停，一刻也不敢停。最後，想引用我們李劍主任的一句話來結束今天的演講，“月背本沒有路，我們來了，便走出了屬於自己的路”。

謝謝大家。