人类首次月球背面软着陆

　　自20世纪50年代起，人类探月的步伐已迈过了半个多世纪。回顾探月史，所有的阿波罗载人任务、甚至苏联和美国的其他无人着陆月球任务几乎都集中在月球正面。之所以一直探测正面、在正面着陆，却从不去背面，一个重要原因就是背面着陆的难度系数加大。
　　科研人员打了个比方：“月球正面就相当于我国的大平原，地势平坦，但背面就有点像我国的西南山区，到处都是高山和撞击坑，月背可供选择的着陆区范围只有正面的1/8。嫦娥三号着陆时可供选择的区域范围长约300千米、宽约90千米，而嫦娥四号只能在有限的相对大的撞击坑里寻找相对平坦的位置作为着陆区，选择范围长宽各十几千米。此外，嫦娥三号当时是斜着降落的，嫦娥四号如果也是斜着下来就要撞山了。在复杂的地形下，嫦娥四号要近乎垂直降落，着陆时间短、航程短，风险确实比较大。”
　　终于，此次我国嫦娥四号探测器成功着陆实现了人类首次月球背面软着陆与巡视勘察，还传回了全球首张近距离拍摄的月背影像图。但是，这个过程中有一个绕不开的问题：站在地球的角度来看，月球背面被正面挡住，那怎样实现通信，信号怎么办？
　　事实上，要想实现月球背面探测器与地面站间的中继卫星通信，就要布置一颗信号中继卫星，为着陆器做准备和全程信号支持。在2018年5月份，我国就成功部署了“鹊桥”号中继卫星。这是人类历史上首个月球信号中继卫星，架起了地球和月球背后的“鹊桥”，它将全程见证嫦娥四号的探测过程，也将负责嫦娥四号的全程通信。
　　接下来，嫦娥四号将不负重托，利用携带的荷兰研制的低频射电探测仪聆听遥远宇宙的声音；利用德国研制的月表中子与辐射剂量探测仪，“勘探” 深埋月下的“矿藏”；还将利用瑞典研制的中性原子探测仪，测量太阳风粒子在月表的作用。此外，嫦娥四号还搭载有一项由重庆大学牵头研制的科普载荷——“月面微型生态圈”，在荒凉月表上培育唯一的生命。

月球背面大有洞天

　　嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面，揭开了月背的神秘面纱。但是，月球为何会有背面？背面又有些什么？

　　事实上，由于月球自转周期和公转周期相等，加上被地球潮汐锁定，地球强大的引力让月球总是一面朝向地球。
　　就比如将一个人比作地球，另一个人比作月球，两人面对面手拉手转圈，就会发现只能看到一个人的正面，并且，自转一圈的时间和他人绕着转一圈的时间相同。所以人类在地球上只能凭肉眼看见月球的正面，背面则看不见。
　　“月球背面是一片难得的宁静之地，屏蔽了来自地球的无线电信号干扰。这次探测可以填补射电天文领域在低频观测段的空白，将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。”探月工程嫦娥四号任务新闻发言人在接受媒体采访时表示。
　　据了解，嫦娥四号的着陆点位于月球背面南极的冯·卡门环形山，它是一座巨大的古撞击坑，而冯·卡门环形山位于更大的艾特肯盆地中。该盆地直径大约2 500千米，深13千米，从坑底最深处到最高处落差大约16千米，这是太阳系内已知的最大、最古老的撞击坑。其90%的面积都分布在月球背面，比月球正面多得多。
　　该盆地保存了原始月壳的岩石，收集这个区域岩石的数据可以帮助科学家们更好地理解月球的组成，具有极高的科学研究价值。

“坐月观天”及“看地”都是极好的

　　在研究人员看来，月球这地方之所以如此受青睐，主要是因为地段好。
　　月球是离地球最近的天体，在月球上可以实现得天独厚的对天观测、对地观测和对月观测。月球上没有大气层，其背面没有无线电噪声干扰，在那里开展天文观测，可获得更暗弱的宇宙信息。同时，相对地球来说，月球的地质结构更稳定，有利于开展长期精密的天文观测。
　　“特别值得一提的是，月球还有两个优势：一是月球南北两极的永久阴影区温度极低，某些地区只比绝对零度高二三十摄氏度，可以进行红外天文观测；二是月球背面是一片难得的宁静区域，没有任何人为的无线电噪声干扰，能更灵敏地监听来自宇宙深处的微弱电磁信号。”科研人员说。

　　此外，虽然科学家目前已经有了各种高分辨率卫星，但由于距离较近，很难看到地球全貌。而在月球上建立观测站，可对地球进行全球大尺度观测，如地壳结构的起伏、地球表面植被和全球气候变化等。
　　科研人员还表示，由于月球几乎没有大气和地质活动，岩石受到的损坏不大，研究月球岩石相当于研究地球39亿年～40亿年前的标本，可了解许多地球早期大气状态的信息，甚至有助于人们认识生命、地球、太阳系乃至整个宇宙的起源和演化历史。

“鹊桥”传影的开创性

　　此次随嫦娥四号登月的，还有4台神秘的小相机，包括3台监视相机和1台降落相机。这4台CMOS（图像传感器）相机如同一个媒体团，在嫦娥四号到达月面之前便做好了全方位的分工和准备，为全球开启一场“月背”探索现场的视觉盛宴。此次“月背拍摄”任务的艰巨性在于月背着陆过程的成像具有开创性。
　　降落相机——“直播”降落全程
　　嫦娥四号着陆器降落在月球背面的艾特肯盆地。降落相机安置于着陆器的底部舱内，在着陆器降落过程中，相机以较高的帧频进行拍照，直观地反映月球表面地貌特征和区域地质情况。
　　监视相机——“监视”两器分离
　　嫦娥四号监视相机共有3台，主要任务是对巡视器与着陆器的释放分离过程进行全程监视，实现两器解锁、巡视器驶离连接支架等关键过程的监测。同时，他们也可以为释放分离过程中每一个指令的执行情况提供直观的视觉信息，并对下一个指令的执行风险提供评估依据。巡视器释放完毕后，装在着陆器侧面的监视相机可定时拍摄不同太阳高度角下的月面图像。
　　这些只有巴掌大小的相机看起来与我们平常使用的数码相机无二，最重的不过700克，却集成了光、机、电、热等多项先进技术和自动曝光、实时图像压缩等智能化功能，在太空恶劣的辐射、温度环境下，能承受发射时的强烈冲击和振动，具备动态下清晰拍摄的能力，更具长寿命、高可靠性能，是真正轻小便携的“航天智造”。
　　为了让4台相机发挥各自功能，在嫦娥三号CMOS相机研制基础上，科研人员针对月球背面的著陆进行了复核复算。相机软件在原来的基础上也有适应性的修改。因为嫦娥四号着陆在月球背面，导致探测器直接与地面监测站通信需要通过月球中继卫星“转手”，探测器数据传输的码速率大幅度降低。针对这一情况，降落相机FPGA软件增加了一种高压缩比图像数据，完美解决了动力下降过程中实时图像观察与科学数据采集这两大任务需求，即探测器动力下降过程中，相机地面软件实时接收降落相机拍摄的高压缩比图像，探测器落月后再回放降落相机拍摄的科学数据。
　　降落相机采集探测器的落月区域图像，尤其是对月球背面成像，对探测器落月区域的科学研究具有重大意义。监视相机对着陆器和巡视器两器分离提供重要视觉支持，并完成对巡视器活动区域的监视，其图像还可用于分析着陆区月表的地形地貌和区域地质情况，从而辅助其他载荷进行科学探测。