长期以来，人类对“月亮”一直有着不同的感受。在古代，李白说“我要上蓝天，拥抱明月”，但在现代文明中，人类通过科技成功开辟了一段时期。月球之旅。
2020年11月24日4时30分，嫦娥五号月球探测器在中国文昌航天发射场成功发射，长征五号遥五运载火箭成功送入预定轨道。以神话“月”命名的中国探月工程已成功执行5次发射任务。嫦娥五号的发射将实现我国首次载人月球样品返回，有助于深化对月球起源和演化历史的科学研究。
除了嫦娥五号发射的喜讯，科学家们在探月过程中不断寻求新的突破和总结探月技术。
前不久，《科学·中国信息科学》第10期发表了中国探月工程总设计师、中国科学院院士吴伟仁关于“嫦娥四号任务的技术突破与科学进展”的英文评论。中国工程院。回顾了嫦娥四号工程实施过程，梳理了嫦娥四号工程取得的技术突破和探测成果，为后续探月提供了重要参考。
原论文：
嫦娥四号：中国探月任务多项“人类第一”
2018年12月8日凌晨2点23分，嫦娥四号探测器、着陆器和玉兔二号月球车成功发射升空； 2019年1月3日上午，嫦娥四号成功登陆月球背面（即远离地球的一侧），成为人类第一个软着陆月球背面的探测器。
要知道，由于月球的自转周期和公转周期相同，人类自古以来只看到过月球的“正面”。虽然国内外的月球探测器都获得了月球背面的图像嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略，但从未有探测器能够降落在月球背面并执行探测任务。
因此，嫦娥四号项目的重要性不言而喻。
嫦娥四号的着陆点是月球南极的艾特肯盆地，实际上是月球古代一次碰撞留下的巨大陨石坑，长约13公里（8.1英里） 深的。由于巨大的影响，科学家们认为这里的月壳和地幔很可能会暴露出来。如果嫦娥四号能够找到并研究其中的一些材料，人类将对月球的内部结构和起源有了前所未有的了解。
月球南极和嫦娥四号着陆点模拟图（来源：行星学会）
嫦娥四号任务的目标包括：测量月球岩石和土壤的化学成分、了解月球地质、进行低频射电天文观测和研究、宇宙射线研究、观测日冕和研究其辐射特征和机制，探索日地日冕物质抛射（CMEs）的演化和传递，还将尝试在月球上养蚕。
值得一提的是，为表彰此次探索取得的科学成就，国际宇航联合会（IAF）向嫦娥四号杰出代表吴伟仁、于登云、孙泽洲颁发了世界空间奖团队。这是该奖项70年来首次授予中国航天科学家。该奖项旨在表彰对空间科学、空间技术、空间医学、空间法或空间管理的杰出贡献。此外，嫦娥四号任务团队还获得了美国太空基金会颁发的2020年度唯一航天金奖、国际月球村协会成立以来的首个优秀探月任务奖、唯一团队金奖英国皇家航空学会 2019 年世界第一。荣誉。
正如嫦娥四号探测器副总设计师贾洋所说：“我国的探月工程不断书写着中国人探索浩瀚宇宙的新篇章。但自嫦娥一号” e-4探测器，中国航天史开始延续。出现了‘人类第一次’的字样。”
相关重大技术突破和科学进步
嫦娥四号项目极其复杂，由一个高级任务设计部分和五个辅助工程系统组成，即探测器、运载火箭、发射场、TT&C（遥测、跟踪与指挥遥测、跟踪与指挥、是GPS的一种缩写）和地面应用系统。
图：嫦娥四号五个辅助工程系统示意图（来源：论文）
嫦娥四号项目要最终实现上述众多任务目标，必须解决诸多技术难题，也正是在这个过程中，它最终取得了许多重要的技术突破和重大科学进展。
首先，嫦娥四号在全球首次实现了地球与月球背面的连续可靠中继通信，解决了通信卫星与月球背面稳定中继通信的难题。月球，中继通讯距离更是超过四万公里。增加到 450,000 公里。
研究人员还研制了第一颗小型长寿命数据中继通信卫星，以及低质量、高增益、耐低温的深空大口径天线，其低温工作时间从2h增加到6h，耐低温极限也从-180°C提高到-235°C，实现了超低温环境下的安全操作和精确定位。
其次，嫦娥四号首次实现了月球背面的自主避障和高精度着陆。由于月球背面地势崎岖嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略，嫦娥四号的可着陆面积仅为嫦娥三号的5%。为此，团队提出了一种基于近月制动和绕月修正的双层迭代联合轨道控制方法，实现了在狭窄区域着陆的同A目标。
嫦娥四号还具备自主选择着陆点和精准避障能力，实现自主精准避障、快速自主故障诊断和系统重构等关键技术的异构集成，其障碍避让距离高达300m。
此外，中国在嫦娥四号项目中首次研制成功放射性同位素热电发电机（RTG）。 RTG 的开发使检测器可以在 210°C 的温差下保持稳定的发电。该团队还提出了一种基于RTG供电的月球夜间自动测温方法，让人们了解月球环境的温度状况。
图：月球表面昼夜温度测量曲线，最低温度为-196◦C（来源：论文）
不仅如此，在这次嫦娥四号项目中，长征四号C运载火箭的弹道进入精度也提升了一个数量级。当最高点达到42万公里时，长征3B运载火箭在轨精度偏差从1000公里优化到100公里，节省的推进剂可以将中继通信卫星的寿命从3年提高到10年。
另一个技术突破是两颗卫星。 2018年5月21日，“鹊桥”中继卫星首次发射，发射后在“地月系拉格朗日2点”（简称L2点）为长安提供地月中继。 'e-4 探测器。通讯支持。与中继通信卫星一起发射的还有“龙江”微型卫星。这是世界上第一颗独立完成从地球到月球的传输，在月球附近制动和绕月运行的微型卫星。微型卫星在月球轨道上进行参量波天文观测，验证了深空微型卫星平台技术。此外，“龙江”号还配备了沙特阿拉伯研制的光学相机，用于对月球进行成像和观测。
