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來源：互聯網

嫦娥四號探測器（別名：嫦娥四號英文名：Chang'e-4），嫦娥三號探測器的備份星，是由中國航天科技五院研制的開展月球背面巡視區形貌、礦物組份及月表淺層結構探測與研究等任務的探測器。

2015年11月30日，中國國防科工局審議通過嫦娥四號任務實施方案調整報告、研制總要求及后續總體研制計劃。2016年1月，嫦娥四號任務獲探月工程重大專項領導小組審議通過，正式開始實施。2018年5月21日5時28分，嫦娥四號中繼星“鵲橋中繼衛星”搭乘長征四號丙運載火箭，在西昌衛星發射中心發射升空。2018年12月8日2時23分，嫦娥四號發射升空；2018年12月12日完成近月制動，被月球捕獲；2019年1月3日10時26分在月球背面預選區著陸；2019年1月11日與“玉兔二號”完成兩器互拍工作。嫦娥四號探測器系統由著陸器、巡視器和中繼星“鵲橋”組成，嫦娥四號著陸器、巡視器在嫦娥三號探測器的基礎上，針對月球背面軟著陸、中繼通信、月夜工作等任務特點，開展了系統設計與優化，新增、更改了部分關鍵軟硬件產品。

嫦娥四號利用嫦娥四號著陸器月表中子與輻射劑量探測儀和中性原子探測儀探測數據，獲得月表高能粒子輻射環境譜、月表中性原子能譜結構和反照率。此外，還利用嫦娥四號著陸器平臺的低頻射電頻譜儀，在月球背面首次成功開展低頻射電天文觀測，獲得大量有效觀測數據。2020年6月，嫦娥四號任務團隊被美國航天基金會授予2020年度航天唯一金獎、獲得國際宇航聯合會2020“世界航天獎”。同年，被國際月球村協會授予自成立以來的首個優秀探月任務獎。

發展沿革

初樣研制

2007年起，嫦娥四號固體所承擔拉桿材料的探索任務，歷經預先研究、方案驗證、工藝研究等過程。2010年，嫦娥四號月球探測器已進入初樣研制階段。2015年3月12日，中國國防科工局宣布探月工程將加大向社會開放力度，計劃將嫦娥四號任務打造成為開放的空間科學研究和空間應用平臺，鼓勵社會和公眾參與，引導和推動萬眾創新，并進一步深化國際合作，推動資源共享。11月30日，中國國防科工局組織召開探月工程重大專項領導小組第十四次會議，審議通過嫦娥四號任務實施方案調整報告、研制總要求及后續總體研制計劃。2016年1月，嫦娥四號任務獲探月工程重大專項領導小組審議通過，正式開始實施。2017年，全球航天探索大會中國專場全體會議召開，嫦娥四號任務確定搭載荷蘭低射頻電探測儀、德國月表中子與輻射劑量探測儀、中性原子探測儀和沙特月球小型光學成像探測儀4臺國際合作科學載荷。

正樣研制

2018年3月21日，由國防科工局探月與航天工程中心組織，中國科學院云南天文臺和中山大學協辦的“嫦娥四號中繼星激光測距試驗項目出廠評審會”在云南天文臺舉行。評審委員會討論并一致同意嫦娥四號中繼星激光測距試驗項目通過出廠評審。4月24日，嫦娥四號嫦娥四號中繼星被命名為“鵲橋中繼衛星”。同年，嫦娥四號任務如期轉入正樣研制階段。5月21日5時28分，嫦娥四號中繼星“鵲橋”搭乘長征四號丙運載火箭，在西昌衛星發射中心發射升空。這是世界首顆運行于地月拉格朗日2點（簡稱地月L2點）的通信衛星。5月25日21時46分，探月工程嫦娥四號任務“鵲橋”中繼星成功實施近月制動，進入月球至地月拉格朗日L2點的轉移軌道。2018年，6月14日11時06分，探月工程嫦娥四號任務“鵲橋”中繼星成功實施軌道捕獲控制，進入環繞距月球約6.5萬公里的地月拉格朗日L2點的Halo使命軌道，成為世界首顆運行在地月L2點Halo軌道的衛星。8月15日，探月工程嫦娥四號任務月球車全球征名活動啟動儀式在北京舉行，并公布了由中國航天科技集團抓總研制的嫦娥四號著陸器和月球車外觀設計構型。

成功發射

2018年10月25日，中國國防科工局探月與航天工程中心和中科院月球與深空探測總體部聯合組織召開嫦娥四號任務科學研討會。12月8日2時23分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭成功發射嫦娥四號探測器，開啟了月球探測的新旅程。12月12日16時45分，嫦娥四號探測器經過約110小時奔月飛行，到達月球附近，成功實施近月制動，順利完成“太空剎車”，被月球捕獲，進入了近月點約100公里的環月軌道。12月30日8時55分，嫦娥四號探測器在環月軌道成功實施變軌控制，順利進入預定的月球背面著陸準備軌道。

安全著陸

2019年1月3日10時26分，嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內（東經177.5991°，南緯45.4446°），實現人類探測器首次月背軟著陸。同日11時40分，嫦娥四號著陸器獲取了月背影像圖并傳回地面。這是人類探測器在月球背面拍攝的第一張圖片。接著，嫦娥四號任務月球車命名為“玉兔二號”。隨后，嫦娥四號探測器相繼完成了中繼星鏈路連接、有效載荷開機、兩器分離、巡視器月午休眠及喚醒、兩器互拍等任務。1月11日，嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器正常工作，在“鵲橋中繼衛星”中繼星支持下順利完成互拍，地面接收圖像清晰完好，中外科學載荷工作正常，探測數據有效下傳，搭載科學實驗項目順利開展，達到工程既定目標，標志著嫦娥四號任務圓滿成功。至此，中國探月工程取得“五戰五捷”。1月14日，嫦娥四號著陸器和玉兔二號都陸續進入了休眠。3月30日18時14分，嫦娥四號探測器正常喚醒，中繼前返向鏈路建立正常，平臺工況正常。

穩定工作

2020年11月10日3時12分和11月9日10時17分結束月夜休眠，受光照自主喚醒，迎來第24月晝。11月22日，嫦娥四號著陸器和“玉兔二號”巡視器（也稱“月球車”）完成第24月晝工作，進入月夜休眠。截至2021年9月29日，在祖國72華誕來臨之際，嫦娥四號著陸器與玉兔二號月球車在軌工作突破1000天，整體工況良好，載荷工作正常，繼續刷新月球背面工作記錄。2022年1月3日，嫦娥四號著陸三周年，累計獲得探測數據3780GB。2022年1月6日，玉兔二號月球車行駛里程突破1000米，達到1003.9米，處于第38月晝工作期。2022年7月，嫦娥四號任務“玉兔二號”月球車和著陸器分別于7月5日19時14分和7月6日6時整完成休眠設置，完成第44月晝工作，進入第44月夜休眠。月球車累計在月球背面行駛里程1239.88米。2023年，中國國家博物館正式將重慶大學嫦娥四號任務生物實驗載荷罐樣機（簡稱“生物實驗載荷罐”）列入收藏件【國博收藏（總第001193號）】，向公眾展示并開放參觀。

2024年2月2日，探月工程四期中繼星(鵲橋二號衛星)空運抵達海口美蘭國際機場，隨后通過公路運輸方式運送至中國文昌航天發射場。鵲橋中繼衛星二號作為一顆中繼通信衛星，主要用于轉發月面航天器與地球之間的通信。后續按計劃進行發射前各項測試準備工作，鵲橋二號還要接力鵲橋號，為在月球背面探測的嫦娥四號和玉兔二號提供中繼通信服務。4月6日，鵲橋二號中繼星成功與在月球背面開展探測任務的嫦娥四號完成對通測試。后續，鵲橋二號中繼星會按計劃為嫦娥四號任務提供中繼通信服務，并擇機開展相應科學探測。

任務規劃

嫦娥四號任務的工程目標，一是研制發射月球中繼通信衛星，實現國際首次地月拉格朗日L2點的測控及中繼通信；二是研制發射月球著陸器和巡視器，實現國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。嫦娥四號的科學任務主要是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究；開展月球背面巡視區形貌、礦物組份及月表淺層結構探測與研究；試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。

總體設計

探測器系統組成

嫦娥四號探測器系統由著陸器、巡視器和中繼星“鵲橋中繼衛星”組成，嫦娥四號著陸器、巡視器在嫦娥三號探測器的基礎上，針對月球背面軟著陸、中繼通信、月夜工作等任務特點，開展了系統設計與優化，新增、更改了部分關鍵軟硬件產品。嫦娥四號中繼星以中國空間技術研究院CAST100平臺為基本平臺，進行適應性改造并新研了部分關鍵產品。著陸器由結構與機構，著陸緩沖，熱控，一次電源，總體電路，測控數傳，制導、導航與控制(GNC)，推進，數管，定向天線，有效載荷共11個分系統及工程參數測量設備組成；巡視器由移動、結構與機構、GNC、綜合電子、電源、熱控、測控數傳、有效載荷共8個分系統組成；中繼星由平臺和載荷兩部分組成，其中載荷包括中繼通信、天線、科學載荷與試驗3個分系統；平臺由星務管理、GNC、測控、電源、結構與機構、熱控6個分系統組成。

運載系統

運載火箭系統的主要任務是研制長征三號乙運載火箭，在西昌衛星發射中心發射。

長征三號乙運載火箭（代號CZ-3B），簡稱長三乙火箭。是中國航天科技集團中國運載火箭技術研究院研發的一型三級液體捆綁式運載火箭。長征三號乙運載火箭以長征三號甲（LM-3A）為芯級，捆綁四個液體助推器構成的。其一子級、助推器和二子級使用偏二甲肼和四氧化二氮作為推進劑，三子級則使用效能更高的氫氣和液態氧。全箭起飛質量425噸，全長54.838米，一、二子級直徑3.35米、助推器直徑2.25米，三子級直徑3.0米，衛星整流罩最大直徑4.0米。主要用于發射地球同步軌道衛星，其運載能力達到5.1噸，是中國用于商業衛星發射服務的主力火箭。該型火箭于1986年開始研發，1996年2月15日首飛失敗，經過整改后，終于在1997年8月20日發射成功。2023年長征三號乙運載火箭仍在執行任務，11月9日19時23分，其托舉中星6E衛星在西昌衛星發射中心發射升空，隨后將衛星送入預定軌道，發射任務取得圓滿成功。

發射系統

由西昌衛星發射中心組織實施，承擔嫦娥四號發射任務。

西昌衛星發射中心（英文名：Xichang Satellite Launch Center、簡稱：XSLC，）別名：中國人民解放軍第二十七試驗訓練基地（中國人民解放軍63790部隊）、西昌衛星城，始建于1970年，總部位于四川省西昌市航天北路，發射場位于四川省涼山彝族自治州冕寧縣澤遠鄉，為中國的導彈與衛星發射基地之一。西昌衛星發射中心是我國目前對外開放規模最大、設備技術最先進、承攬外星發射任務最多、具備發射多型號、多用途、多射向衛星能力的綜合性航天器發射場。

載荷信息

嫦娥四號探測器攜帶了地形地貌照相機、降落相機、低頻射電頻譜儀、德國的月表中子及輻射劑量探測器；月球車攜帶了全景相機、紅外成像光譜儀、側月雷達以及瑞典的中性原子探測儀。

技術特點

GNC系統

GNC是制導導航與控制的英文簡稱，相當于月球車的大腦和神經系統。月球車在月面上漫步，解決“在哪里、去哪里、怎么去”這三個問題，都靠這個系統來指揮。

嫦娥四號作為嫦娥三號探測器的備份，因總體任務方案更改，部分單機進行了更改或重新投產，為保證產品在貯存期內的質量與可靠性并實現可靠性增長，需在貯存期間定期開展測試和試驗。同時，在產品驗收前對這些產品開展補充試驗，以驗證產品的功能、性能正確性，確保產品的可靠性。根據貯存產品的技術狀態，可將產品分為“未做任何修復、改裝”“需更換狀態相同的部分電路板或部件”和“需更換狀態不同的部分電路板或部件”3類，GNC及綜合電子分系統涉及到I、Ⅲ類貯存產品。

針對I類無源貯存產品，在貯存期間定期開展接口、機械特性的復測和外觀檢查，并進行數據一致性比對，對產品的可靠性進行復核。在交付時開展補充試驗，進一步確認貯存產品狀態。

針對I類有源貯存產品，在貯存期間定期開展接口、機械特性的復測和外觀檢查，同時開展電性能考核試驗，并進行數據一致性比對，對產品的可靠性進行復核。在交付時開展補充試驗進一步確認貯存產品狀態。

針對Ⅲ類更改產品，通過自下而上逐層開展技術狀態更改論證評審和審批控制把關，確保產品技術狀態更改論證充分、分析全面、驗證有效、更改到位。針對更改后狀態的鑒定產品在通過鑒定試驗之后，再實施正樣產品更改，并在交付時開展補充試驗，進一步確認更改產品狀態。

針對綜合電子單元僅部分單板更改的復雜驗證情況，分系統針對產品集成度高的特點，充分利用嫦娥三號探測器鑒定件，與總體溝通協調制定出一整套行之有效的驗證試驗方案，確保單板更改方案有效實施、驗證到位、更改正確。

測控系統

測控系統的主要任務是運載火箭、探測器在各飛行階段及探測器在月面工作階段的測控、軌道測量與確定、月面目標定位以及落月后著陸器和月面巡視器的控制。

嫦娥四號著陸器測控通信系統由S頻段測控子系統、X頻段測控通信子系統和超高頻（UHF）頻段器連續可見，提供不間斷中繼通信弧段覆蓋。L2點、月球、地球空間位置關系。嫦娥四號著陸器任務過程包括：發射段、地月轉移段、環月段、動力下降段、月面工作段5個部分。在前3個階段，測控通信系統通過直接對地鏈路完成測控任務。后兩個任務階段在月球背面執行，需要中繼衛星為其提供中繼轉發服務，配合完成相關探測任務。

月面器間通信子系統3部分組成，。其中，S頻段測控子系統與地面測控系統配合完成發射段及地月轉移初期的測控功能；X頻段測控通信子系統與地面測控系統配合完成地月轉移段、環月段測控功能，與中繼衛星配合完成中繼通信功能；UHF頻段月面通信子系統用于提供與巡視器間單向通信鏈路。

地面應用

負責嫦娥四號探測器科學探測計劃制定、有效載荷運行管理，并通過中繼星接收著陸器和巡視器探測數據。

為了在非結構化復雜環境中確保月面巡視探測任務的可靠安全執行，巡視器操作控制系統采用“巡視器－地面系統”功能一體化設計。月面巡視器和地面支持系統間通過前、返向通信鏈路相互進行信息傳遞。巡視器具有一定的自主能力，能夠完成自主導航行走等動作。巡視器、中繼衛星、地面測控網以及地面支持系統共同組成一體化系統，共同協同配合完成月面巡視探測任務。通過借鑒美國“火星探測巡視器”地面控制系統和歐洲航天局“巡視器操作控制中心”系統的設計經驗，嫦娥四號巡視器地面支持系統的設計，一方面能夠實現對巡視器運行狀態的多維可視化監視，另一方面兼顧對巡視器任務環境的數字和物理模型構建，在構建的模型上開展對月面巡視器規劃控制策略的數字或物理仿真驗證，提高了巡視器在軌運行的控制安全性和可靠性。

地面支持系統采用模塊化設計和實現，地面支持系統包括接口與信息管理模塊、數字環境構建模塊、規劃策略數字仿真模塊、任務決策及策略規劃模塊、可視化呈現模塊以及物理仿真模塊。其中物理仿真模塊還需要包括驗證器供電及控制模塊、月面環境構建平臺、巡視器驗證器、月面環境測量模組等。

推進系統

因為月球背面地形崎嶇，布滿高山和撞擊坑，為實現嫦娥四號探測器精準著陸月面，推進系統必須提供精確的控制推力和高精度的變推力輸出。為此，推進系統設計采用減壓閥高精度調試、飛行產品管路系統地面測試和流阻調節、７５００Ｎ發動機地面熱標、飛行參數和地面參數聯合仿真等方法，以提供高精度的發動機裝訂推力。

推進系統７５００Ｎ變推力發動機進行動力下降過程的推力控制，通過精準變推力調節實現探測器精準著陸月面。７５００Ｎ發動機的變推力輸出，使用步進電機調節實現。步進電機控制策略在嫦娥三號探測器的基礎上進行了優化，提高了變推力控制的精度和可靠性［５－７］。步進電機采用１２８ｍｓ控制周期，每個控制周期電機最多運動１２０步，每步運動時間１ｍｓ。步進電機在１０００Ｈｚ的驅動頻率下，其轉子在最小啟動間隔時間內還處于振蕩區，因轉子自身慣量產生的動態啟動附加轉矩影響，步進電機存在因驅動轉矩不足而失步的風險。為提高步進電機轉動的可靠性，需要提高步進電機的啟動輸出轉矩，可采用提高步進電機供電電壓、升頻啟動控制、更換輸出力矩更大電機等方法。綜合考慮時間、經費、硬件改動最小等因素，推進系統采用“３－２－１”升頻啟動設計策略，即步進電機啟動頻率越低，輸出轉矩越大。每個控制周期走第１步時電流保持３ｍｓ，走第２步時電流保持２ｍｓ，從第３步起每步時長為１ｍｓ。

為保證推進系統可靠密封，在非變軌期間７５００Ｎ發動機上游的軌道控制管理閥門保持關閉狀態。由于在飛行過程中太陽照射角度變化和７５００Ｎ發動機工作后熱反侵等影響因素，封閉的軌道控制管路壓強會隨溫度變化而升高或下降。為使壓強在允許的安全范圍內，要控制軌道控制管路的壓強爬升范圍。嫦娥三號探測器推進系統采取的技術途徑為：在測控弧段內遙控開閥泄壓，在非測控弧段通過延時指令開閥泄壓。此方法存在飛控工作量大、對測控依賴性強、閥門動作次數多等缺點。為解決上述問題，嫦娥四號探測器推進系統采用“熱控管理和自主泄壓”的冗余方法。軌道控制管路充填或７５００Ｎ發動機點火工作結束后，打開軌道控制管路管理閥門同時進行軌道控制管路加熱，加熱到設定溫度閾值后調低管路溫度閾值并關閉軌道控制管理閥門。此后，軌道控制管路壓強自主管理程序使能，軌道控制管路壓強超壓后自主開閥泄壓。

關鍵技術

配套電路

嫦娥四號研制的高精度加速度計組合，采用新型設計方案，為核心部件石英撓性加速度計打造全新的配套電路，大大提高了其可靠性，研制團隊還做了大量開創性設計，使產品成本更低、體積更小、重量更輕、功耗更小。

γ關機敏感器

隨著落月過程的開始，置于嫦娥四號底部的γ關機敏感器便實時測量嫦娥四號與月球表面的距離。當γ關機敏感器探測到距月球表面數米高度時，便發出關機指令，關閉軌道控制和姿態控制發動機。這個關機指令的發出，是實現“嫦娥落月”的關鍵動作，這一瞬間，決定著“落月”任務的成敗。當軌道控制和姿態控制發動機關閉，就會停止給嫦娥四號提供推力，嫦娥四號就會在月球引力作用下以自由落體的方式下落，最終翩然降落在月球表面。落月之后，嫦娥四號著陸器就要和玉兔二號月球車分離，這樣，月球車才能按自主軌道順利滑向月球表面，進行月球表面巡視工作。分離時，車體連接解鎖機構就要開始發揮作用，而航天科工集團研制的連接解鎖機構能否在既定時間按時解鎖，是此次任務成敗的關鍵環節之一，決定著玉兔二號能不能順利踏上月球表面。

連接解鎖機構

嫦娥四號采用的連接解鎖機構穩定發揮，讓玉兔二號與嫦娥四號著陸器精準分離，踏上月球開展科研任務。

科學成就

月球地質構成

利用測月雷達就位探測數據，首次揭示了月球背面著陸區域地下40米深度內的地質分層結構，闡述了其物質組分與演化機制。利用紅外成像光譜儀的就位光譜探測數據，成功揭示了月球背面的物質組成，驗證了月幔富含橄欖石，加深了人類對月球形成與演化的認識。

地形地貌

利用“玉兔二號”月球車搭載的可見和近紅外分光光度計、全景相機及測月雷達等數據，對著陸區光譜、石塊分布、淺層結構等進行分析，獲得著陸區形貌，物質礦物組成、來源及特性等科學結論。首次通過原位探測直接得到月球深部物質組成，揭示月球背面，特別是南極艾特肯盆地復雜的撞擊歷史，對月壤的形成與演化模型提供關鍵證據，為日后南極著陸和巡視探測選址等提供重要參考。

根據嫦娥四號著陸器測月雷達和相機數據以及其他多源數據，研究建立嫦娥四號著陸區地層剖面及多期次濺射物覆蓋關系。著陸區濺射物累加厚度約70米，表面為芬森撞擊坑濺射物；在巡視區深度40米范圍內，存在3種不同地層單元，包括12米范圍內的細粒月壤層、12米-24米的礫石層和24米-40米的濺射物沉積和風化產物層。這些結果首次揭開月球背面地下結構的神秘面紗，極大地提高我們對月球撞擊和火山活動歷史的理解，為月球背面地質演化研究帶來新的啟示。

天文探測

利用中性原子探測儀對月表環境能量中性原子的探測數據，得到了能量中性粒子在月球表面通量能譜，證實了能量中性粒子的能量與入射太陽風的速度有很強的相關性。

利用嫦娥四號著陸器月表中子與輻射劑量探測儀和中性原子探測儀探測數據，獲得月表高能粒子輻射環境譜、月表中性原子能譜結構和反照率。月表中子輻射劑量率比空間站內部高1-2倍，輻射劑量當量高1倍左右。證實初級銀河宇宙射線撞擊月球表面，產生反照質子（最早在美國環月軌道器上被發現，此次在月表得到了實地驗證）。這些成果為開展太陽風與月表微觀相互作用研究提供重要支撐，促進對月表輻射風險的認知，為未來月球航天員所受月表輻射危害估算及輻射防護設計提供重要參考。

利用嫦娥四號著陸器平臺的低頻射電頻譜儀，在月球背面首次成功開展低頻射電天文觀測，獲得大量有效觀測數據。初步獲取40MHz頻率以下的月背著陸區電磁環境本底頻譜和低頻射電三分量時變波形數據，對于研究太陽低頻射電特征和月表低頻射電環境具有重要科學意義。

榮譽獎項

總體評價

嫦娥四號有可能給人類提供更多關于月球內部的信息，但這取決于它被發射的位置。南極艾肯環盆地是月球遠面的重要標志，這個火山坑的地殼很薄，以至于可以看穿地幔。收集這個區域巖石的數據可以幫助科學家們更好地理解組成月球的巖層。（中國科學院探月總體部副主任鄒永廖評）

嫦娥四號的基本架構繼承了嫦娥三號探測器，但科學載荷會有很大變化，將開展對月球背面的地質探測等。月球正面和背面的電磁環境非常不同，月球背面電磁環境非常干凈，是天文學家夢寐以求開展低頻射電研究的場所，如果能在月球背面放一個低頻射電的頻譜儀，將填補國際空白。（中國探月工程地面應用系統總設計師李春來評）

嫦娥四號任務的立項實施是黨中央對發展航天事業、建設航天強國作出的重大決策，是落實總書記“推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展”指示精神的具體行動，是備受世界矚目的中國航天重大工程，是航天領域開放合作的示范工程，是月球探測領域承上啟下的標志性工程，具有重大政治意義及現實意義。（張克儉評）

嫦娥四號任務在人類歷史上首次實現了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察，首次實現了月球背面同地球的中繼通信，在嫦娥四號35天的任務中，“鵲橋中繼衛星”中繼星連續提供對地、對月中繼通信服務，中國在深空探測領域突破多項關鍵技術。（央視網評）

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