長久以來，人類對 「月亮」 始終懷有別樣的情感，古有李白詩曰 「欲上青天攬明月」，而到了現代文明中，人類則通過科學技術，成功開啟了一段又一段探月之旅。
2020 年 11 月 24 日 4 時 30 分，嫦娥五號月球探測器在中國文昌航天發射場成功發射，長徵五號遙五運載火箭順利將其送入預定軌道，至此，以 「嫦娥奔月」 神話故事命名的中國月球探測工程已成功實施 5 次發射任務。嫦娥五號的發射將實現中國首次月球無人採樣返回，助力深化月球成因和演化歷史等科學研究。
而除了嫦娥五號發射這一激動人心的消息之外，科學家們也始終在探月曆程中不斷尋求新的突破並進行探月技術總結。
不久前，Science China Information Sciences 第 10 期就發表了中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁的英文評述 「Technological breakthroughs and scientific progress of the Chang'e-4 mission」，文章中回顧了嫦娥 4 號工程的實施過程，梳理了嫦娥 4 號所取得的技術突破和探測成果，為後續月球探測提供了重要參考。
論文原文：
http://scis.scichina.com/en/2020/200201.pdf
嫦娥四號：創下多個「人類首次」的中國探月任務
2018 年 12 月 8 日凌晨 2 時 23 分，嫦娥四號探測器與著陸器、玉兔 2 號月球車成功發射升空；2019 年 1 月 3 日上午，嫦娥四號成功降落在月球背面（即遠離地球的一側），成為人類第一個在月背軟著陸的探測器。
要知道，由於月球的自轉周期和公轉周期相同，自古以來，人類都只能看到月球的 「正臉」，雖然國內外繞月探測器已經得到了月球背面的影像，卻從來沒有探測器能夠著陸於月球的背面並開展探測任務。
因此，嫦娥四號工程的重要性不言而喻。
嫦娥四號著陸地點為月球南極的埃特肯盆地（Aitken basin），該盆地其實是月球上的一次古代碰撞事件留下的一個巨大隕石坑，約有 13 公裡（8.1 英裡）深。由於巨大撞擊，科學家認為此處的月球地殼和地幔很可能暴露在外，如果嫦娥四號能夠找到並研究其中的某些物質，那麼人類將對月球的內部結構和起源有前所未有的了解。
月球南極及嫦娥四號著陸點的模擬視圖（來源：planetary society）
嫦娥四號任務的目標包括：測量月球巖石和土壤的化學成分、了解月球地質學特徵、進行低頻射電天文觀測和研究、宇宙射線研究、觀察日冕並研究其輻射特徵和機理，以及探索日冕物質拋射（CME）在太陽與地球之間的演化和傳輸，還將嘗試在月球上養蠶。
值得一提的是，為了表彰此次探索的科學成就，國際宇航聯合會（IAF）向嫦娥四號團隊優秀代表吳偉仁、餘登雲、孫澤洲頒發世界空間獎，這是 70 年來該獎項首次授予中國航天科學家。該獎項旨在表彰在太空科學、太空技術、太空醫學、太空法或太空管理方面做出的傑出貢獻。此外，嫦娥四號任務團隊還獲得了美國航天基金會 2020 年度航天唯一金獎，國際月球村協會自成立以來的首個優秀探月任務獎，英國皇家航空學會 2019 年度全球唯一的團隊金獎等多項殊榮。
正如嫦娥四號探測器副總設計師賈陽所說：「我國探月工程，不斷寫下中國人探索浩瀚宇宙的嶄新篇章。但從嫦娥四號起，中國航天的歷史才開始不斷出現『人類首次』字樣。」
相關重大技術突破與科學進展
嫦娥 4 號工程極其複雜，由高級任務設計部分和五個附屬工程系統組成，分別是探測器、運載火箭、發射場、TT&C（telemetry、track and command 遙測、跟蹤和指揮，是一種 GPS 縮略語）和地面應用系統。
圖：嫦娥四號的五個附屬工程系統示意圖（來源：論文）
而要最終實現前述的眾多任務目標，嫦娥四號工程必須解決眾多技術難題，也正是在這一過程中，它最終實現了許多重要技術突破和重大科學進展。
首先，嫦娥四號在世界上首次實現了地球與月球背面之間連續可靠的中繼通信，解決了通信衛星與月球背面穩定中繼通信的困難，中繼通信距離更是從 40000 公裡提高到 450000 公裡。
科研人員還開發了第一顆小尺寸、長壽命的數據中繼通信衛星，以及用於深空的低質量、高增益、抗低溫的大直徑天線，其抗低溫工作時長從 2h 提高到 6h，可抵抗的低溫極限也從 - 180C 提高到 - 235C，實現了超低溫環境下的安全操作和精確指向。
其次，嫦娥四號首次在月球背面實現自主避障和高精度著陸。由於月球背面的地形崎嶇，嫦娥四號的可著陸面積僅為嫦娥三號的 5%，因此，團隊提出了基於近月制動和環月校正的雙層迭代聯合軌道控制方法，實現了在同一狹窄區域著陸的目標。
嫦娥四號還具有自主選擇著陸地點和準確避障的能力，實現了自主精確避障、快速自主診斷故障和系統重構等關鍵技術的異構集成，其避障範圍高達 300m。
此外，在嫦娥四號工程中，中國首次自主成功研發了放射性同位素熱電發電機 (RTG)。開發 RTG 是為了探測器在 210℃的溫差下仍可保持穩定發電。團隊還提出了一種基於 RTG 電源的月球夜間自動測溫方法，讓人們了解月球環境的溫度條件。
圖：月球表面晝夜溫度的測量曲線，最低溫度為 - 196C（來源：論文）
不僅如此，在此次嫦娥四號工程中，CZ-4C 運載火箭的彈道進入精度也被提高了一個數量級。當最高點達到 42 萬千米時，運載火箭 CZ-3B 的在軌精度偏差從 1000 公裡優化至 100 公裡，所節省的推進劑可將中繼通信衛星的壽命從 3 年提高到 10 年。
另一技術突破則當屬兩顆衛星莫屬。2018 年 5 月 21 日，「鵲橋」 中繼衛星先行發射，發射後運行在 「地月系統拉格朗日 - 2 點」（簡稱 L2 點），以便為嫦娥四號探測器提供地月中繼通信支持。而隨中繼通信衛星一起發射的，還有微型衛星 「龍江」。這是世界上第一顆獨立完成從地球轉移到月球、月球附近制動和沿月球軌道運行的微型衛星。該微型衛星在月球軌道上進行了參數波天文觀測，驗證了深空微型衛星平臺技術，此外，「龍江」 還配備了沙烏地阿拉伯研製的光學照相機，用於對月球進行成像觀測。
「龍江」微型衛星（來源：論文）
夢想成真：「嫦娥奔月」 月球探測大事一覽
曾經，人們想像著在月宮之上的嫦娥和玉兔，感嘆 「不知天上宮闕，今夕是何年」。而如今，中華民族千百年來的 「飛天夢」 在一代代中國航天人的努力下終於成為了現實。
1991 年，中國航天專家提出開展月球探測工程；2004 年 1 月，中國繞月探測工程正式立項，命名為 「嫦娥工程」。中國嫦娥工程分為無人月球探測，載人登月，建立月球基地三階段。
2007 年 10 月，中國首顆月球探測衛星嫦娥一號衛星在西昌衛星發射中心成功發射，在軌有效探測 16 個月，獲得中國第一幅全月球影像圖，而後於 2009 年 3 月成功受控撞月，實現中國自主研製的衛星進入月球軌道。
2010 年 10 月，嫦娥二號成功發射，作為先導星，嫦娥二號為二期工作進行多項技術驗證，並開展多項拓展試驗。2013 年 12 月，嫦娥三號探測器成功發射並實現落月，帶著中國第一艘月球車 「玉兔號」 開展月面巡視勘察，嫦娥三號著陸器還創造出迄今月球表面工作時間最長人造太空飛行器的紀錄。此次正是吳偉仁院士主持實現嫦娥三號月球軟著陸和巡視探測，樹立了中國航天新裡程碑。
2014 年 10 月，中國實施探月工程三期再入返回飛行試驗器，準確進入近地點高度 209 公裡、遠地點高度 41.3 萬公裡的地月轉移軌道。2016 年 2 月，嫦娥三號著陸器成功自主喚醒，進入第 28 個月晝，工作正常。
2018 年 5 月，探月工程嫦娥四號中繼星 「鵲橋」 成功發射，順利進入月球至地月拉格朗日 L2 點的轉移軌道，成為世界首顆運行在地月 L2 點 Halo 軌道的衛星。同年 12 月，嫦娥四號探測器成功發射升空。
2020 年 11 月，嫦娥五號月球探測器在中國文昌航天發射場成功發射。至此，以 「嫦娥奔月」 神話故事命名的中國月球探測工程已成功實施 5 次發射任務。
參考資料：https://link.springer.com/article/10.1007/s11432-020-3047-4
https://mp.weixin.qq.com/s/N0C_PbQ70iTNRs9JPb2Ifw
https://en.wikipedia.org/wiki/Chang%27e_4
https://www.planetary.org/space-missions/change-4
https://www.space.com/china-chang-e-4-moon-mission-lunar-day-23
https://www.iafastro.org/activities/honours-and-awards/iaf-world-space-award.html
http://www.cae.cn/cae/html/main/colys/03022221.html
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