可上九天揽月 ——壮观的中国探月计划

载人返回飞行试验任务轨道示意图。

网易航空讯（张雪松/Nemo）月球是地球唯一的天然卫星，也是宇宙中距离我们最近的自然天体，它因此成为人类探测次数最多的天体，上世纪60年代美苏的载人登月竞赛更是航天竞赛的最高潮。然而此一时彼一时，目前美国已经把探索的重心放到了火星，月球不可避免受到冷落，好在中国在新世纪扛起了探月的大旗，实施和推动了新一轮探月高潮的到来。毫不夸张地说，中国的嫦娥探月计划在广度和深度上都将达到人类探月的新高峰。

一骑绝尘的历史

中国是月球探测的后来者，姑且不论美苏冷战时期的各种探测器，日本在1990年发射了飞天号月球探测器，欧洲的SMART-1探测器也于2003年9月27日发射升空，俄罗斯也不断提出月球探测计划。中国探月工程启动于2003年3月1日，计划通过绕落回三步走，由易到难一步步实现绕月探测、着陆探测和取样返回探测。中国探月和印度基本同期，都属于后来者，但我们一步一个脚印埋头苦干实现了后来居上，到现在在探月领域中国航天可以说是一骑绝尘。

嫦娥二号

嫦娥一号探测器于2007年10月24日发射升空，它作为我国第一颗月球探测器，主要是解决了有无问题，获取了月球表面三维立体影像以及月球表面物质分布等数据。嫦娥一号拍摄了120米分辨率的全月图，对比日本的月女神或是稍晚印度的月船一号，实在有些尴尬，而且这个分辨率的影像很难为月球着陆器提供支持。2010年10月1日，备份星改装的嫦娥二号探测器发射升空，它同样是一颗环月探测器，但发射到直接奔月轨道，并进入高度100公里的环月轨道。嫦娥二号装有性能更好的设备，它拍摄了7米分辨率的全月图，达到了世界上最高水平，同时它还变轨近月点降低到15公里高度，对未来的嫦娥三号着陆器的预定着陆区拍摄了1.5米分辨率的高清影像，此外它还装有更好的激光高度计，试验了X波段测控技术。值得一提的是，嫦娥二号探测器完成预定任务后，还从月球出发飞向日地L2轨道，不仅刷新了中国深空测控的距离记录，也使我国成为继美国、欧洲之后第三个进入日地L2轨道的国家。嫦娥二号还从日地L2轨道出发，对4179号近地小行星进行了抵近探测，它在距离地球700万公里外，在4179小行星3.2公里外以10.73公里/秒的速度擦身而过，拍摄了最高分辨率10米的照片。嫦娥二号此后进入绕日轨道，距离地球越来越远，现在已经超过了1亿公里，据称2029年左右将再次回到距离地球700万公里的位置上。

嫦娥三号。

嫦娥二号创下了一串记录，但毕竟在探月这一点上不够出彩，不过探月功臣嫦娥三号已经闪亮登场了！2013年12月2日嫦娥三号从西昌卫星发射中心发射，12月14日21时11分它在月表成功着陆，这是自1976年苏联月球24号探测器以后人类第一个月球着陆探测器，无数错过登月竞赛的70后、80后、90后和00后有生以来第一次看到了月球软着陆和就地拍摄的月面照片。对我们这代人来说，嫦娥三号的成功着陆是历史性的一幕，就连航天业界的传奇人物Elon Musk也在推特上表示祝贺。嫦娥三号设计寿命一年，但它到现在还在工作，创下了月面工作时间的世界纪录。嫦娥三号携带了8个科学设备，在深空探索上同样作出了出色的成绩。嫦娥三号的极紫外相机首次从月面对地球进行了探测，发现了地球等离子层边界在磁层亚爆下的凸起现象。它的月基天文望远镜利用月面高度真空和自转缓慢的特点，进行了长时间的连续近紫外天文观测，不仅对密近双星进行了观测，还发现月球散逸层水含量很低，目前月基望远镜仍在巡视着天空。

玉兔探月车。

嫦娥三号还携带了玉兔号月球车，与着陆器联合进行月球探测。不过遗憾的是，玉兔号月球车在第二个月球日出现控制故障，高位瘫痪无法活动，它的病情牵动了千千万万人的心。出人意料的是，玉兔即使无法合上盖子保暖，精心设计的热控和设备，仍然让玉兔顽强的一次次从极寒的月夜中醒来，直到2016年7月才停止工作。如果说玉兔创造了月球车寿命的记录，肯定有很多人不服气，但它两年半多的寿命，计时作为月球着陆器也是相当出色的。玉兔月球车虽然没能正常工作3个月，但它的很难说失败，从工程上说它实现了中国月球巡视探测零的突破，从科学上说玉兔号发现了一种新的玄武岩，首次实测了月壤的结构和厚度，不仅获得了世界上第一幅月球地质剖面图，也精确测量了月壤12种元素的含量，发现雨海盆地在距今25亿年前还有大规模火山喷发。如果一定要对玉兔号做一个评论的话，可能对比罗塞塔探测器的菲莱着陆器更为合适，它们都没有完成预期的工程目标，但在科学上都做出了不起的成绩。嫦娥三号在国际合作上也有成绩，它发射时搭载了卢森堡LuxSpace公司的4M探测器，成为人类第一个商业探月项目。

嫦娥三号的成功着陆，让中国在月球探测上一骑绝尘，这既有中国科学家和工程师们辛勤工作的功劳，也是日本和印度月球着陆计划拖拖拉拉的结果。日本和印度纸面上曾计划和嫦娥三号争个先后，但印度的月船二号已经推迟到2018年发射，日本干脆搁置了月女神二号，转而启动了一个月球着陆试验期SLIM，计划2019年发射。SLIM作为软着陆试验器无法和嫦娥三号在科学上一争高下，而印度月船二号的月球车设计寿命只有14天，还是落在温差小的极地区域，在工程难度上也无法和玉兔相比。

嫦娥五号。

中国也有类似SLIM的技术验证器，它就是嫦娥五号T1探测器。嫦娥五号T1于2014年10月24日发射，使用自由返回轨道绕月后返回，返回舱验证了月球轨道高速返回能力，值得一提的是返回舱再入不仅使用半弹道的跳跃式再入方式，可以满足远程“奔袭”北半球的内蒙古着陆场的需求，而且使用了先进的全数字预测修正制导律，达到了空前的开伞精度，在试验进度上力压美国猎户座飞船一头，实现了一个真正的世界第一。有趣的是，嫦娥五号T1的服务舱再次点火进入轨道，先进入地月L2轨道验证了轨控技术，并成为世界上第二个到达地月L2轨道的航天器，随后又进入月球轨道飞行，并为嫦娥五号取样返回探测器拍摄了高清的着陆区图像。

继往开来的现在

中国探月工程已经完成了绕月和落月，目前第三步取样返回工作也在稳步进行中。目前只有苏联和美国成功完成过月球取样返回，中国的嫦娥五号将于2017年发射进行月球取样返回工作。嫦娥五号将使用全新的大型火箭长征五号发射，今年11月3日长征五号将在文昌发射场进行首飞，为嫦娥五号的发射做好准备。嫦娥五号任务堪称是无人的小“阿波罗”，相关技术将为未来的载人登月奠定基础。

2017年长征五号火箭将从文昌发射中心将8.2吨重的嫦娥五号探测器直接送入地月转移轨道，嫦娥五号包括轨道器、返回器、着陆器和上升器四部分组成，是我国有史以来研制的最复杂的航天器。嫦娥五号着陆器在嫦娥三号的基础上增强了着陆缓冲能力，返回器继承了神舟飞船的返回舱外形，并在嫦娥五号T1任务中进行了实际的高速跳跃式再入试验，至于轨道器和上升器则是全新研制的系统。嫦娥五号任务十分复杂，具有飞行阶段多、关键环节多、设计约束多等难点。简单地说，为了完成月球采样返回任务，嫦娥五号飞行中既有四器组合体飞行，也有两器（轨道器+返回器，着陆器+上升器）组合体飞行，还有单器飞行（上升器）和对接组合飞行（上升器对接轨道器）等阶段，需要突破和完成月球软着陆、月面综合采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接、高速再入返回等多个关键环节。月球采样返回的高难度带来了很多设计约束限制，比如火箭运力和精度、高集成的设备和高性能的轻质材料等。

嫦娥五号任务。

嫦娥五号使用长征五号火箭从文昌发射升空后飞行总时间约1个月，首先是大约5天的地月直接转移飞行，然后进入高度200公里的环月圆轨道，着陆器和上升器分离月面软着陆，使用机械臂和钻机进行月球土壤和岩石样品的采集，进行样品封装后，上升器携带样品起飞进入15公里X180公里的近月椭圆轨道，随后继续变轨和轨道器交会对接，并将样品转移到返回器的样品舱内。接下来上升器和轨道器分离，轨道器携带返回器择机飞向地球，并在距离地面5000公里高度分离，返回器使用跳跃式再入技术最终在内蒙古四子王旗着陆场着陆。通过使用月球轨道交会对接设计，嫦娥五号可以携带至少2千克的月壤月岩样本返回地球，而苏联的探测器只有它的约1/10，这个设计还让嫦娥五号可以在月面纬度更高的地方着陆取样，提高了任务的潜在科研价值。嫦娥五号还专门设计了月球轨道上的样品自动转移，成为世界上第一个进行太空样品转移的探测器，进度上远远领先于美国规划的火星取样返回任务。嫦娥五号的任务流程要比苏联的月球24等直接从月面起飞返回的取样返回探测器复杂得多，除了规模较小不载人外基本架构和阿波罗登月计划几乎一样，嫦娥五号未来不仅将实现了我国航天技术的重大跨越，它研制和实施中积累的技术和经验，也将为后续的载人登月工程服务。LuxSpace公司将继续开展合作，据称嫦娥五号任务中将搭载发射该公司70千克的小型月球探测器。

嫦娥四号。

嫦娥探月有三号有五号，那么四号哪里去了？别急！作为嫦娥三号的备份，嫦娥四号到底干什么一直是个疑问。经过一年多的讨论和比较，2015年7月航天科技集团五院发布消息，称嫦娥四号任务最终形成了具有国际创新性的技术方案。根据不久后联合国外空司2015年和平利用外层空间大会上中国学者的报告，嫦娥四号包括作为备份的着陆器和巡视器，以及新增的中继卫星，它们将在2018-2019年发射。中继卫星将发射送入嫦娥五号T1服务舱曾到此一游的地月L2轨道，利用这里得天独厚的条件为嫦娥四号的月球背面着陆提供便利，嫦娥四号也由此成为人类第一个月球背面着陆的探测器，它可能降落在著名的艾特肯-南极盆地中的阿波罗盆地，这里有望探测到月球早期演化的历史，具有很高的科学价值。嫦娥四号的科学在和除了保留降落相机、地貌相机以及巡视器上的全景相机、测月雷达和红外成像光谱仪外，还在着陆器上新增了低频射电频谱仪以及中俄合作的月尘测量仪，巡视器上增加了瑞典合作的中性粒子探测仪和德国的中子探测仪。中继星上除了相机，也携带了荷兰提供的低频射电频谱仪，着陆器和中继星的低频设点频谱仪将进行干涉测量。嫦娥四号上低频射电设备利用月球对地球无线电波的遮挡，不仅填补了国际空白，也有望为研究宇宙早期演化提供帮助。

嫦娥四号中继星示意

开拓创新的未来

嫦娥四号远不是中国探月工程的终结，嫦娥五号的备份星嫦娥六号将在2019到2020年踏上探月的征途。从目前报道的口风看，嫦娥六号很可能在月球背面的艾特肯盆地着陆，在这个极富地质价值的地区进行取样返回，月球背面的着陆需要通信中继，它仍将使用2018年发射的CAST-100平台的中继星，这颗425千克的中继星设计寿命超过5年，不仅将用于服务嫦娥四号和嫦娥六号，还可能作为基础设施进行月球探测的国际合作。嫦娥六号的月球背面取样返回可能是中国探月工程在科学上最具价值的一次任务，在中国深空探测历史上具有里程碑一样的意义。

2020年后，中国还将继续开展新的探月任务，包括月球南极着陆和大区域月面巡视探测，以及月球北极着陆和原位资源利用关键技术验证等任务。通过对南北极的探索，我国将更全面的了解月球的资源和历史，为建设月球科考站，实现载人登月做技术储备。除此之外，我国科学家还提出在更遥远的未来进行更深入的无人月球探测，包括探测中纬度海陆交界区和月面溶洞，甚至探测溶洞内部地形，为建立溶洞式月球基地奠定基础，还有利用月球背面干净的光学和电磁环境，建立更优良的天文观测平台等等，如果这些规划能够实现的话，中国的月球探测必将取得更辉煌的成就。