北京日报客户端 | 记者 汪丹
今年1月，中国探月工程迎来二十周年。时光荏苒，二十载光阴如白驹过隙，我国探月人不断拼搏、勇于创新，至今已顺利完成“绕月探测、落月探测、采样返回探测”（简称“绕、落、回”）三个阶段战略目标，并开始实施探月四期工程。
探月工程的每一个阶段都是对前一阶段的深化，并为下一阶段奠定基础。今天，我们请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩来讲讲我国月球探测取得的重要成就，以及这些科研成果将给人类未来的登月之旅带来什么。
深空探测正式启程
嫦娥一号：拍下真正的“全月球影像图”
中国国家航天局于2007年11月26日正式公布的嫦娥1号传回的第一幅月面图像
2004年1月23日，中国探月工程立项，命名为“嫦娥工程”。探月一期工程是通过发射绕月探测器完成的，标志着中国航天向深空探测进发拉开序幕。
2007年10月24日,我国第一个月球探测器——嫦娥一号绕月探测器由长征三号甲火箭送入太空。它于2007年11月20日传回所拍摄的第一幅月面图像，从而树起了继东方红一号人造地球卫星、神舟五号载人飞船之后，我国航天事业的第三个里程碑。
2008年7月1日，嫦娥一号完成了全月球影像数据的获取，此后又开展了变轨等十余项验证试验。嫦娥一号累计飞行494天，其中环月482天，比原计划多飞了117天；飞行期间经历3次月食；传回1.37TB有效科学探测数据；获取了全月球影像图、月表化学元素分布、月表矿物含量、月壤分布和近月空间环境等一批科学研究成果，填补了中国在月球探测领域的空白。
与人造地球卫星相比，嫦娥一号采用了较多的新技术，例如，轨道设计、三体定向、温度控制和紫外敏感器等。它搭载了8种科学仪器，包括CCD立体相机、激光高度计、干涉成像光谱仪、γ射线谱仪、X射线谱仪等，并在世界上首次使用微波探测仪用于测量月球的微波辐射特征，反演月壤的厚度，估算其氦3的分布和资源量。其中，嫦娥一号所搭载的CCD立体相机在世界上首次实现了月球表面的100%覆盖，使中国制作的“全月球影像图”在几何配准精度、数据的完整性与一致性、图像色调等方面均处于国际先进水平。
为了给探月二期工程“探路”，积累落月过程控制和轨道测定方面的经验，嫦娥一号于2009年3月1日受控撞击了月球丰富海区域，月球之旅圆满结束。
落月之旅突破关键技术
嫦娥三号：首次登陆一举成功
2013年12月，玉兔号月球车在月面用全景相机拍摄的嫦娥三号着陆器
从获取探测数据的直接性和丰富性来看，软着陆探测和巡视勘察是其它探测形式所不能替代的，所以落月探测很重要。
我国探月二期工程的主要任务就是进行落月探测，该任务通过先后发射的嫦娥二号和嫦娥三号来完成。由于落月探测要突破一系列关键技术，技术跨度和实施难度都较大，因此，为了降低落月探测的风险，我国在发射首个落月探测器嫦娥三号之前，先于2010年10月1日发射了嫦娥二号空间探测器。它对嫦娥三号的预选着陆区进行了高分辨率成像，还获得了更加丰富和准确的探测数据，深化了对月球的科学认知。
2011年4月1日，嫦娥二号的半年设计寿命期满后，又开展了多项拓展试验，开创了中国航天通过一次发射开展月球、拉格朗日2点和小行星等多目标多任务探测的先河，使我国成为世界上第三个造访拉格朗日2点、第四个探测小行星的国家。
有了嫦娥二号这个成功的开路先锋，我国探月二期工程主任务嫦娥三号的月球之旅就顺利多了。2013年12月2日，嫦娥三号落月探测器被直接送入地月转移轨道，后于12月14日在月面软着陆，首次实现了我国对地球以外天体的软着陆。12月15日，嫦娥三号着陆器与玉兔号月球车互相拍照，我国成为世界上第三个掌握落月探测技术的国家。
嫦娥三号由着陆器和巡视器（即玉兔号月球车）组成，所以，发射嫦娥三号实际上是发射了两个月球探测器，能分别开展就位探测和巡视探测，这在国际上尚属首次。
为完成工程任务，嫦娥三号先后闯过了着陆关、巡视关和月夜生存关。尤其是在着陆月面的过程中，驮着玉兔号月球车的嫦娥三号着陆器在落月时利用1500-7500牛变推力发动机（这是很多国家都没有的一项关键技术）、降落相机等，克服了反推减速、自主控制和着陆缓冲三大技术难点，安全落在了月球虹湾以东区域。它采用的悬停、避障的智能着陆技术具有国际先进水平。嫦娥三号着陆器携带了地形地貌相机、降落相机、极紫外相机、月基光学望远镜等4种有效载荷；玉兔号月球车则携带了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪共4种载荷。其中，极紫外相机、月基光学望远镜、测月雷达在月球表面探测中均属世界首次使用。
直到现在，进行落月探测仍是一个难题，导致不少国家出现失败，而当时我国嫦娥三号凭借过硬的技术水平落月一举成功，为后续嫦娥四号、嫦娥五号的着陆奠定了坚实基础。如今，嫦娥三号已开展“测月”“巡天”“观地”科学探测，取得了大量科学数据，且其着陆器仍在月面工作，是目前世界上在月面工作时间最长的着陆器。
采样返回创造历史
嫦娥五号：四个“首次”大大提高航天技术
我国探月三期工程的主任务是通过嫦娥五号完成无人月球采样返回任务，这有利于进一步了解月球的状态、物质含量等重要信息，深化对月壤、月壳和月球形成演化的认识，为以后载人登月和月球基地选址提供数据。
嫦娥五号的返回器需要以接近第二宇宙速度返回再入大气层，技术十分复杂。因为返回器再入速度提高了一倍，再入热量将提高8至9倍，所以，如果以11千米/秒左右的速度直接再入返回，返回器很容易被烧毁。为了降低工程风险，我国于2014年10月24日先发射了嫦娥五号T1，以掌握超高速再入返回大气层技术。嫦娥五号T1由服务舱和返回器两部分组成，其返回器与嫦娥五号的返回器基本一致。它们升空后先飞抵月球附近，然后自动返回地球，最终，其返回器于同年11月1日采用半弹道跳跃式以接近第二宇宙速度再入大气层，在内蒙古预定区域顺利着陆。
所谓“半弹道跳跃式再入大气层”是指航天器进入大气层后，依靠升力再次冲出大气层，以减速耗能，然后又进入大气层。换句话说，就是采用“打水漂”的方式再入大气层，在大气层中“一出一入”，这样可延长返回器在大气层飞行的轨迹，消耗掉部分能量，减小着陆速度。这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球，表明我国突破和掌握了航天器超高速再入返回技术，也使得我国成为世界上第三个成功回收绕月航天器的国家。
2020年11月24日，由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分组成的嫦娥五号采样返回器升空。在闯过一系列难关后，嫦娥五号的返回器于当年12月17日携带1731克月球样品顺利返回地球，使我国成为世界上第三个在月球采样返回地球的国家，同时，也为我国探月工程“绕、落、回”三个发展阶段的战略规划画上了圆满句号。
嫦娥五号从发射到返回共经历了23次重大的轨道控制和6次重大分离控制，以及动力下降和月面起飞、交会对接等多个较高风险环节的考验。为了完成这次月球采样返回任务，嫦娥五号实现了我国开展航天活动以来的四个“首次”，使航天技术获得了很大提高。
一是首次在月面自动采样。在月面上采集样品时，着陆器上的采样装置要在月球低重力环境下具备钻孔、铲土和输送等能力，在采样完成后封装，在此过程中不能有任何污染。由于准备充分，原本需要耗时两天的任务只用了19个小时就完成了。
二是首次从月面起飞。采集的样品封装到上升器后，上升器要从着陆器上起飞，这是我国空间飞行器第一次在地外天体起飞，难度很大。如果上升器起飞时喷射的火焰碰到着陆器，可能会产生干扰因素。但事实证明，充足的前期准备和技术保障，使月面起飞完成得很顺利。
三是首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接。携带月球样品的上升器起飞后，要进入月球轨道，与在那里的轨道器-返回器组合体进行无人交会对接，并把采集的样品转移到返回器中，这在世界上是第一次。为此，我国研制了一种被称为抱爪式的空间轻小型弱撞击对接机构，装在轨道器上，从而完成了这一任务。
四是首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。最后，嫦娥五号携带月球样品的返回器以大约11公里/秒的速度再入大气层，虽然我国已用嫦娥五号T1试验过，但嫦娥五号返回是一次实战考验，结果很圆满。
值得一提的是，此前只有苏联在20世纪70年代进行过3次无人月球采样返回，但总共只带回330克样品，原因是当时苏联没有掌握月球轨道无人交会对接技术，上升器直接返回地球，就需要克服返回器与大量燃料死重。
我国科学家首次对自取月球样品进行存储、分析和研究，现已取得许多科研成果，例如，揭示了20亿年前月球仍存在岩浆活动；发现了月球新矿物，命名为“嫦娥石”，这也是世界上第6种地球上没有的矿物。
探月四期开门红
嫦娥四号：探秘月球背面追溯星球历史
2019年，嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图（圆柱投影）
从“绕、落、回”三个阶段的战略目标来看，它们有明显的递进关系：环绕探测主要对月球进行全球性的综合普查；落月探测主要是对着陆区附近进行区域性详查，包括原位探测和巡视探测，相对复杂；采样返回探测主要是对月球进行区域性精查，科学家可在实验室里对采集到的月球样品进行详细研究，最为复杂，难度也最大。
现在，我国已开始实施探月四期工程，并把嫦娥四号作为探月四期的首次任务，即在月球背面进行软着陆和巡视探测。因为月球背面比正面保留着更为原始的状态，对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。另外，由于在地球上永远看不到月球的背面，所以在月球背面能监测到因干扰而在地球和地球轨道无法分辨的宇宙低频射电信号，有望取得重大天文学成果。
不过，正是因为在地球上永远看不到月球的背面，所以在月球背面着陆的探测器不能直接和地球站进行无线电通信。为此，我国于2018年5月21日先发射了世界首颗运行在地月拉格朗日2点晕轨道的月球中继星“鹊桥”。在这个轨道上运行的“鹊桥”能同时“看到”地球和月球背面，从而能为此后落在月球背面的嫦娥四号提供与地球站之间的通信链路，传输测控通信信号和科学数据。
2018年12月8日，我国成功发射了嫦娥四号落月探测器，它于2019年1月3日在月球背面冯·卡门撞击坑完成了软着陆，这在世界上也是第一次。
作为嫦娥三号的备份，嫦娥四号仍由着陆器和巡视器（玉兔二号月球车）组成，但由于嫦娥四号与嫦娥三号的科学目标差异很大，所以两者所装载的科学载荷有明显变化。嫦娥四号着陆器上仍装有降落相机、地形地貌相机，但增加了国内新研发的低频射电频谱仪，以及德国的月表中子与辐射剂量探测仪，去掉了嫦娥三号装载的月基光学望远镜和极紫外相机。玉兔二号月球车仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪，但增加了瑞典的中性原子探测仪，去掉了粒子激发X射线谱仪。
嫦娥四号在性能上也有很大提升。由于嫦娥三号的着陆区相当于地球上比较平坦的华北平原，而嫦娥四号的着陆区相当于有崇山峻岭的云贵川地区，所以嫦娥三号是以弧形轨迹缓慢着陆，嫦娥四号则采取近乎垂直的着陆方式。嫦娥三号在长月夜-180℃的环境中是不能工作的，嫦娥四号采取了新的能源供给方式——同位素温差发电与热电综合利用技术，可以保证其度过寒冷漫长的月夜及正常开展探测工作，所以实测了月夜期间浅层月壤的温度。
目前，嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车仍在“超期服役”，其中玉兔二号是目前世界上在月面工作时间最长的月球车。
携手共建国际月球科研站
载人登月：从望月千年到一朝揽月
未来，我国将发射嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号，最终建立月球科研站和实现载人登月。
今年，嫦娥六号将突破月球逆行轨道设计与控制、月背智能采样和月背起飞上升等关键技术，在月球背面进行自动采样返回，同时开展着陆区科学探测和国际合作，并搭载10千克国际载荷。今年，我国还将发射鹊桥二号月球中继星，替代已“超期服役”的“鹊桥”。
由轨道器、着陆器、巡视器、飞跃器组成的嫦娥七号计划于2026年着陆月球南极，开展月球南极的环境与资源详查，包括探测月球南极月壤年龄和太阳风的氢、碳、氦、氧同位素组成等。其中，在轨道器上将配置高分辨率立体相机、月球微波成像雷达、宽谱段红外光谱成像分析仪、月球中子伽玛谱仪、环月磁强计等5台科学载荷；在着陆器上将配置月表环境探测系统、月震仪、降落相机、地形地貌相机等4台科学载荷；在巡视器上将配置拉曼光谱仪、测月雷达、月表磁场测量仪、全景相机、月壤挥发分测量仪等5台科学载荷；在飞跃器上将配置1台科学载荷月壤水分子分析仪，直接与飞跃器平台相连。
嫦娥八号则计划在2028年前后发射，它由着陆器、飞跃器、巡视器、月面作业机器人组成，将着陆在嫦娥七号附近，与其构成基本型月球科研站，试验验证一些月球资源利用的关键技术，如利用月壤原位3D打印技术。预计在2040年前，我国还将与俄罗斯等国合作建成完善型国际月球科研站，之后再建设应用型月球科研站。
最令世人瞩目的是，2030年前我国就将实施载人登月。为此，航天专家正在开展一系列科研攻坚，包括研制新一代载人运载火箭长征十号、新一代载人飞船、月面着陆器、载人月球车和登月服等。
二十年来，从环绕月球拍照片，到世界首个航天器着陆月球背面，再到成功带回月球“土特产”，“绕、落、回”三步走战略圆满收官。如今，探月人仍步履不停，望月千年的中国人，终将用现代航天科技实现九天揽月的梦想。
[延伸阅读]
中国探月二十年大事记
●2004年，中国启动月球探测工程，它被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》十六个重大专项之一。依据循序渐进、分布实施、不断跨越的原则，该工程分为“绕、落、回”三个发展阶段，在2020年完成。
●2007年10月24日，长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射嫦娥一号绕月探测器。
●2008年11月12日，由嫦娥一号拍摄数据制作完成的“中国首次月球探测工程全月球正射影像图”公布，这是当时世界上已公布的月球影像图中最完整的一幅影像。
●2010年10月1日，长征三号丙运载火箭成功发射嫦娥二号。嫦娥二号是嫦娥三号落月探测的技术先导星，主要用作试验、验证部分新技术和新设备，降低后续月球与深空探测的风险。
●2011年6月9日，嫦娥二号在完成既定的六大工程目标和四大科学探测任务后离开月球，随后抵达日地拉格朗日2点，刷新了中国航天测控距离的纪录，也成为了世界首个从月球直接前往日地拉格朗日2点的航天器。
●2013年12月2日，长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥三号落月探测器，开展探月二期工程的主任务落月探测。12月14日，嫦娥三号的着陆器带着中国第一辆月球车玉兔号成功软着陆于月球雨海西北部的虹湾着陆区。
●2014年10月24日，我国发射嫦娥五号T1，以掌握超高速再入返回大气层技术，为发射嫦娥五号做准备。
●2018年5月21日，鹊桥号月球中继星升空。它是世界上首颗运行于地月拉格朗日2点的通信卫星，承担地球与后续在月球背面着陆的嫦娥四号之间的信息中继任务。
●2018年12月8日，长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号落月探测器，开展探月三期工程的主任务采样返回探测。2019年1月3日，嫦娥四号自主着陆在月球背面，实现人类探测器首次在月背软着陆。
●2020年11月24日，嫦娥五号采样返回器由长征五号运载火箭发射升空，后于12月1日成功着陆在位于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。
●2020年12月17日，嫦娥五号的返回器携带1731克月球样本成功返回地球，我国成为第三个实现月球采样返回的国家。
●2024年1月，探月四期工程的嫦娥六号任务探测器运送至文昌航天发射场，后续按计划进行发射前的各项测试准备工作。
