本文来自微信公众号：瞭望智库 （ID：zhczyj），摘编自《月背征途》（北京科学技术出版社|未读2021年1月出版），作者：北京航天飞行控制中心，编辑：田硕，题图来自：视觉中国
美国国家航空航天局（NASA）宣布美国新一代登月火箭“太空发射系统”确定于8月29日搭载“猎户座”飞船升空，执行“阿尔忒弥斯1号”无人绕月飞行测试任务。
“太空发射系统”升空将标志着美国2017年批准的新登月计划“阿尔忒弥斯”终于正式开启。按照“阿尔忒弥斯”计划，美国宇航员最早可在2025年底前重返月球。在这之前，美国航天局将开展代号为“阿尔忒弥斯1号”的无人绕月飞行测试和代号为“阿耳忒弥斯2号”的载人绕月飞行测试。
面对“阿尔忒弥斯”计划的不断推迟，相比之下，我国的探月工程则稳扎稳打，按部就班，有序进行。2020年12月17日，“嫦娥五号”返回器携带月球样品在我国内蒙指定区域安全着陆，为我国探月工程“绕、落、回”三步走发展规划画上了圆满句号。
回首我国探月历程，有一帆风顺，也有跌宕起伏。库叔今天带你走进我国探月之旅。
一、“嫦娥一号”：飞出地球母亲的怀抱
“嫦娥一号”的成功发射，正式拉开了中国月球探测的大幕，也标志着我国成为继俄罗斯、美国、日本和欧洲之后的第五个发射月球探测器的国家（组织）。
2007年10月11日，“嫦娥一号”运抵西昌卫星发射中心发射场。图｜新华社
“嫦娥一号”的奔月之路分为四个阶段，即停泊轨道段、地月转移轨道段、月球捕获轨道段和环月长期运行轨道段。
【注：停泊轨道是进入地月转移轨道前所采用的临时性的轨道。为了将卫星送到月球这样远的距离，“嫦娥一号”在进入地月转移轨道前经历了一段绕地球飞行的停泊轨道，卫星在停泊轨道上利用自身的推进系统进行了3次近地点轨道机动，逐步抬高远地点后进入地月转移轨道。】
“嫦娥一号”卫星停泊轨道
1. 起飞，进入停泊轨道
2007年10月24日18时05分，长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心腾空而起，把“嫦娥一号”精准地送入了预定轨道。
此前中国航天历次飞行控制任务均属于对绕地球飞行的卫星进行控制，最远距离不过8万千米。而这次“嫦娥一号”的最远飞行距离达到了41万千米。如果把“嫦娥一号”比作巨大的风筝，地面测控系统和飞控中心就是放风筝的人，只是使用的不是风筝线，而是电磁波。
卫星从38万千米外传回的电磁信号强度只相当于近地轨道传回信号的百万分之一。而且，嫦娥一号携带天线的最大发射功率只有12瓦，微弱的信号混杂在各类空间复杂的电磁噪声中，给测控设备跟踪和飞控任务带来了很大的困难。在当时的条件下，主要依靠喀什12米测控站、青岛10米测控站、圣地亚哥9米测控站、欧洲航天局国际联网测控站完成飞控工作。
“嫦娥一号”正式踏上奔月之路前，需要在地球停泊轨道进行4次轨道控制。第一次控制在远地点点火，将近地点高度从约250千米抬高到600千米，并将近地点调整到国内测控区的上空，为后续3次近地点加速做好铺垫。前两次近地点调相控制先将远地点高度由5.1万千米抬高到7.2万千米，再抬高到12.1万千米，轨道周期由16小时调整到48小时，为地月转移做好了准备。
2. 飞翔在地月之间
从理论上讲，从地球到月球存在无数条可能的轨道，而其中消耗能量最小的轨道只有一条，轨道设计正是要找出这样的最佳轨道。因此，“嫦娥一号”进入地月转移轨道入口的时机以及运动状态，特别是位置和速度等因素非常关键。如果时机不对，“嫦娥一号”将无法找到月球，从而不能和月球相会；如果速度过大，也将错过月球，无法进入月球引力作用的范围；如果速度过小，就会像中途抛锚的汽车，无法摆脱地球引力的束缚到达月球。
10月31日17时25分，经过8圈的绕地飞行，“嫦娥一号”来到地月转移轨道的入口，490牛发动机点火，启程飞向月球，114小时后到达。
随着“嫦娥一号”离地球越来越远，地球引力不断减弱，而月球引力不断增强，当“嫦娥一号”进入离月球6.6万千米远的半径范围时，起主导作用的变成了月球引力，而不是地球引力。
3. 被月球抓住
当“嫦娥一号”抵近月球时，需要对它进行一次“太空刹车”，使它顺利被月球引力捕获。近50年人类的探月史上，航天器“太空刹车”的成功率只有50%。
这是中国人第一次操控探测器进入月球轨道，其意义太重大了，为了降低风险，“嫦娥一号”采取3次制动方式，逐步降低环月轨道高度。
“嫦娥一号”月球捕获示意图
11月5日11时15分，发动机按地面注入的开机时刻准时开机，达到预定速度增量后正常关机，第一次近月制动成功！“嫦娥一号”被月球引力捕获，进入12小时绕月椭圆轨道。这是一个创造历史的时刻，中国人终于有了第一颗属于自己的环月卫星！
11月6日11时35分，“嫦娥一号”进行了第二次近月制动。卫星进入了绕月3.5小时小椭圆轨道，并运行了7圈，一切正常。
11月7日8时24分，“嫦娥一号”第三次近月制动，最终进入了127分钟月球极月轨道。这个轨道接近圆形，离月球表面200千米，此时的“嫦娥一号”才算真正进入科学探测的工作轨道。
4. 月球终现真容
我们把“嫦娥一号”称为探路者，因为它是我国第一个进入地月转移轨道的航天器，也是我国第一个被月球引力捕获的航天器。利用“嫦娥一号”拍摄的照片，我国第一次发布了高精度全月图，分辨率达到120米，是当时世界上公开发布的精度最高的全月图。
2007年11月20日至2008年7月29日，“嫦娥一号”共绕月飞行3000余圈，并采取扫描的方式，完成了全面图像获取工作。
5. 受控撞月
在完成全部探测和科研任务后，2009年3月1日，“嫦娥一号”累计飞行494天，5514圈，就在这一天，“嫦娥一号”以撞击月球这一悲壮的方式结束了它的使命。
【注：为什么选择受控撞月？撞月是国际航天领域月球探测器结束使命普遍采用的方式。这样做的目的有两个：一是避免在月球轨道上留下航天器的残骸，防止太空垃圾碰撞未来的航天器；二是观察深度撞击后月壤的变化，寻找月壤深处水的证据。】
二、嫦娥二号：从月球走向深空
“嫦娥二号”发射采用的是长征三号丙运载火箭。这一次，火箭的推力可以直接将“嫦娥二号”送入地月转移轨道，不再需要绕地球兜圈了。基于这次成熟的技术，其后的“嫦娥三号”“嫦娥四号”都是由火箭发射直接进入地月转移轨道的。
2010年10月1日，搭载“嫦娥二号”的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心发射升空。图｜新华社
1. 奔月直通车
2010年10月1日18时59分57秒，“嫦娥二号”在西昌卫星发射中心成功发射。冲劲十足的它直接进入了地月转移点，并在10月2日凌晨3时39分拍下了路上的风景——地球和月亮。
2010年10月6日11时06分，飞控中心发出了第一次近月制动指令，“嫦娥二号”开始“刹车”，在距离月球100千米的地方被月球捕获，进入了12小时的椭圆形环月轨道。相比于“嫦娥一号在近月点200千米被月球捕获，这次操作难度提升了一大截。在这之后，“嫦娥二号”与“嫦娥一号”一样，还有2次近月制动，第二次制动让其进入了3.5小时小椭圆形环月轨道，第三次制动则进入了高度100千米的118分钟极月圆轨道。
“嫦娥二号”直接地月转移轨道示意图
“嫦娥二号”于2010年11月2日转入长期运行管理阶段。这次的目标很明确：拍摄更高分辨率的全月图。
2. 首张7米分辨率的全月图
由于轨道高度由“嫦娥一号”时的200千米降低到100千米，因此拍摄的月面更清晰。历时199天，“嫦娥二号”总共拍摄了600多幅照片，其中384幅照片被用于制作7米分辨率的全月球地形影像。
3. 为“嫦娥三号”铺路
为完成对“嫦娥三号”预选着陆区高分辨率成像和对后续软着陆任务关键技术的先期验证，2010年10月26日，飞控中心对“嫦娥二号实施了降轨控制试验。卫星成功由100千米x100千米的圆轨道进入了100千米x15千米的试验轨道。之所以选择这样一条试验轨道，是因为原定“嫦娥三号”动力下降前的准备轨道正是这个椭圆轨道。
降轨控制的另外一个目的就是让“嫦娥二号”对“嫦娥三号”预选着陆区——虹湾进行高分辨率成像。“嫦娥二号”相机在100千米轨道的分辨率优于10米，在100千米x15千米的轨道上时，近月点拍照分辨率能够达到1米。这么高的分辨率，一方面，可以为地质学家提供更精细的立体图像，促进对月球地质构造的研究；另一方面，为“嫦娥三号”选取安全着陆区奠定了坚实的基础。
4. 孤独的旅程
“嫦娥二号”在2011年4月1日达到了设计寿命，完成了所有工程和科学目标。由于飞控中心的精心呵护，它不仅状态良好，还剩余了不少推进剂，也就是说，它还有充足的动力可以继续飞行。
其实，从“嫦娥二号”发射成功之日起，有关它的最终归宿就一直是人们最感兴趣的话题。关于它的归宿有5种选择：撞击月球；向深空飞行；对小行星以及拉格朗日点进行探测；继续运行在环月稳定轨道，用于对2012年底建成的测控系统35米和64米深空大天线更远距离的测控能力的验证；返回地球轨道。
关于“嫦娥二号”归宿的几个选项，各自有不同的科学价值。其中，返回地球轨道，并不是难事；撞击月球虽然可以为“嫦娥三号”落月积累一些宝贵的经验和数据，但奔赴深空更有价值。事实上，“嫦娥二号”在发射前，特别加载了X频段信号（火星探测乃至更远的深空探测也采用这一频段）收发设备，使得信号抗衰减性大大增强，也因此让航天器飞得更远成为可能。如果它的工作寿命能再延长一年半，这对中国航天来说极其珍贵，因为当时我国正在全力建设的地面深空测控网计划将在2012年下半年完成，“嫦娥二号”可以直接对地面深空测控网做全面测试。
日-地拉格朗日L2点距地球大约有200个地球半径那么远，在地球的远磁尾处。在那里，“嫦娥二号”将对太阳风和高能粒子进行动态监测。这将提高人类对地球远磁尾性质动态和空间天气的认识。此外，当时太阳活动正处在增加阶段，搭载的X射线谱仪将监测太阳耀斑的爆发，这些数据既可以用于空间环境预警，也可以借此对太阳耀斑演化进行科学研究。不仅如此，若有可能，搭载的γ射线谱仪也许会观测到宇宙γ射线暴。
基于上面的考虑，从月球轨道出发去日—地朗格朗日L2点的方案从5个方案中脱颖而出。
2011年6月8日至9日，飞控中心对“嫦娥二号”实施了两次加速控制，使其飞离了月球轨道，成功进入L2转移轨道，正式向日——地拉格朗日L2点进发。
“嫦娥二号”飞往日-地拉格朗日L2点轨道示意图
这趟旅程飞行了150万千米，历时77天。2011年8月25日，“嫦娥二号”来到了日—地拉格朗日L2点的环绕轨道。我国成为了世界上第三个造访此处的国家，也是世界上首个从月球飞往此处的国家，路上还顺便开展了日地空间环境探测，真的是一举多得。
【注：1765年欧拉发现，在一个旋转二体（如地球—月亮）重力场中存在3个共线的天平动点。1772年，拉格朗日指出，在一个旋转二体重力场中还存在另外两个天平动点，后人将这5个点统称为拉格朗日点，也称平动点（L1、L2、L3、L4、L5）。平动点是航天器在受到两个大天体的万有引力作用时，在空间中的引力平衡点，运行于平动点的航天器可以长期保持轨道位置而几乎不用消耗推进剂，使其在停泊中转、中继卫星、星际转移等未来深空探测任务中具备较好的工程应用价值。】
日-地拉格朗日L2点示意图
5. “嫦娥”与“战神”的约会
为最大限度挖掘卫星潜能，在“嫦娥二号”完成所有既定任务目标后，我们为它安排了与小行星交会的方案。经过对小行星库中60多万颗小行星的细致挑选，我们最终挑选图塔蒂斯作为“约会对象”。
图塔蒂斯是以西方凯尔特人神话中战神名字命名的小行星，每隔四年才会与地球近距离接触一次。2012年12月13日前后，图塔蒂斯再次到达近地点约700万千米处，之前美国、欧盟、日本等国家（组织）都是采用雷达、可见光及红外成像技术对它远距离观测，如果这次中国能够对小行星进行近距离拍照将是国际首次，意义不言而喻。
要使“嫦娥二号”与图塔蒂斯交会，需要控制它脱离日—地拉格朗日L2点，飞往小行星交会的转移轨道。这在我国以往的航天任务中没有先验轨道可以参考，国际上此类大范围星际转移技术也都是国家机密，无从借鉴。卫星与小行星交会的机会只有一次，且相对飞行速度超过10千米/秒，其控制难度比在万米高空操控两颗子弹相撞更大，对卫星上根本没有考虑高速成像需求的相机也提出了苛刻的要求。
“嫦娥二号”与图塔蒂斯小行星交会轨道示意图
2012年4月15日和6月1日，飞控中心通过两次变轨，控制“嫦娥二号”飞离日—地拉格朗日L2点环绕轨道。历经半年的星际旅程，12月13日16时30分，最终与图塔蒂斯相会。此时两者最近距离仅3.2千米，“嫦娥二号”采用了回眸凝视的身姿。
这一回眸成功获取了500幅高质量图像，分辨率达10米，局部分辨率高达5米。这是世界上首次对该小行星进行近距离光学成像，为后续行星际深空探测任务验证了可靠的轨道确定与控制技术。
【注：图塔蒂斯在国际上的官方名称是“小行星4179”。长4.46千米、宽2.4千米，外形看起来像一粒花生，是迄今为止靠近地球最大小行星之一。它围绕太阳的公转周期是1471天，自转周期是5—7天，2004年9月29日距地球最近距离约160万千米，约是地月距离的4倍。正是因为它距离地球非常近，所以科学家们已经把他收录到“潜在危险小行星名单”之中，时刻都在关注它的一举一动。】
“嫦娥二号”拍摄的图塔蒂斯小行星图片
三、“嫦娥三号”：踏上“广寒宫”
前两次都是绕月，而落月这个重大的突破就要由“嫦娥三号”来完成了。2013年12月2日1时30分“嫦娥三号”从西昌卫星发射中心发射升空，这次我们使用的是更大推力的长征三号乙运载火箭。
2013年12月2日，搭载“嫦娥三号”的长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心发射升空。图｜新华社
1. 7500牛推力无级变速
近月制动是月球捕获的关键，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的主发动机推力都只有490牛，而“嫦娥三号”是全新研制的7500牛的变推力发动机，它可以通过一次制动就进入100千米的环月轨道。
2. 着陆虹湾
着陆虹湾前，飞控中心先实施近月点降轨控制，把轨道调整为100千米x15千米，准备工作就绪后，飞控中心通过指令启动着陆程序，控制“嫦娥三号”从近月点开始下降。
虽然在“嫦娥二号”探月阶段，我们就已经确定了要降落在虹湾区，并预先进行了拍照和详细勘察，但预备降落的地区并非一片平坦，遍布大大小小的岩石和撞击坑。针对这个问题，在“嫦娥三号”设计之初就增加了自动避障功能，选择相对安全和平稳的区域。
2013年12月14日21时11分，“嫦娥三号”顺利地落在了月球表面，落点坐标为北纬44.12度、西经19.51度。2016年1月4日，国际天文联合会（IAU）正式批准嫦娥三号着陆点周边区域命名为“广寒宫”。
【注：虹湾并不是真正的湾。我们看到月球上有大面积的暗黑色区域，那是月海，是由类似玄武岩的岩石构成的平原，月海延伸向月陆的部分就被称为月湾和月沼，虹湾是月湾之一。“嫦娥三号”着陆虹湾，一是因为地形平坦，少有大石；二是因为它位于月球的北纬，光照条件较好，并且可探测的物质丰富；三是为了能够和地球顺利通信，也需要在月球正面降落；四是虹湾是月球研究的空白，美苏月球探测器着陆地点多在月球赤道附近，在高纬度地区的不多。】
3. 月球上的第一步
“嫦娥三号”实现了中国首次月球软着陆，接下来就要控制“玉兔一号”从“嫦娥三号”上走下来。飞控中心的驾驶员们就是“玉兔一号”的眼睛、大脑，更是它的生命保障。
着陆大约4分钟后，飞控中心的操控人员需要立即对“玉兔一号”进行月面初始化操作，决定采取什么方式从“嫦娥三号”上走向月面，以及走下来将要面临的各种情况和处置方法。整个过程从12月14日晚上一直持续到15日早上4时35分，“玉兔一号”终于在月球上留下了中国探测器的第一履足迹。
4. 定格114.8米
自从“玉兔一号”踏足月面后，它的探索工作就开始了。它在第二月昼开展了月面巡视勘察工作，地面控制累计移动29.7米后到达“嫦娥三号”西南方向的预定科学探测点，并圆满完成各项科学探测任务。
2014年1月15日5时43分至1月16日1时53分，“玉兔一号”在第二次科学探测过程中累计移动26.2米，完成图像拍摄和科学探测数据下传后，受复杂月面条件影响，月球车结构控制系统状态异常。地面连续进行了故障处置后未能排除故障。1月23日12时42分，控制“玉兔一号”在故障状态下进入第二月夜“休眠”。
经第三月昼的故障处置后，依然未能排除故障。为扩大探测成果，在进行故障处置的同时，地面多次控制打开“玉兔一号”各类相机和有效载荷，获取了大量有效的探测数据和图像数据。2月23日下午，地面控制“玉兔一号”进入第三月夜“休眠”。
在圆满完成3个月的设计寿命后，“玉兔一号”由于故障停止了前进的脚步，行驶距离永恒地定格在了114.8米。但“嫦娥三号”和“玉兔一号”所取得的开创性成果和经验教训，仍为中国探月工程后续任务的实施打下了坚实的基础。
“玉兔一号”在月球正面留下了中国探测器第一履足迹
“嫦娥三号”第一次实现了中国在月面的软着陆。如今，它又已成为全世界在月球上工作时间最长的探测器，我们月球上的“老寿星”每一天都在创造新的世界纪录。
“嫦娥三号”
四、通往月之暗面：登月准备
1959年，人类探测器首次登陆月球。1969年，美国宇航员阿姆斯特朗在月球上留下了人类的第一个足印。可是月球背面却从来没有人类到访过。由于月球背面一直背对着地球，人们始终无法窥其一角，因此也产生了很多有意思的想象和推测，有人说那里是外星人的基地，有人说那里有UFO。同样，中国航天人也对这一神秘之地充满向往。
1. 定了，去月背！
“嫦娥三号”成功着陆在月球正面虹湾地区，而“嫦娥四号”落在月球哪里，却引起了科学家们不少争论。经过反复论证，选择降落月球背面这一大胆的计划被提了出来，选择月球背面最重要的原因有3个：
第一，更为吸引人的科学探测价值。与月球正面不同，月背地形更为崎岖，几乎全是环形山和古老的陨石坑。“嫦娥四号”计划着陆的月球背面南极艾特肯盆地是太阳系第二大超级陨石坑，更接近月球最原始的情况，将为人类研究月球结构和太阳系起源提供更丰富的第一手资料。
第二，更为纯净的空间电磁环境。由于月球自身的遮挡，月球背面没有来自地球的一丝辐射干扰，有着无与伦比的空间环境而适合开展各类天文观测，可以充分弥补地面射电观测存在的诸多空白。
第三，更强的科技引领力。登陆月球背面是极具想象力和巨大勇气的科研实践，可以催生并推动一系列高新技术的快速发展，让我国诸多科技获得重大升级，对我国的科技创新与发展产生积极而深远的影响。
经过反复考量，我们将“嫦娥四号”落脚点选定在冯·卡门撞击坑。虽然这里的地形相对平坦，有利于探测器成功着陆，但是依旧危险丛生。美国《福布斯》曾刊文称“‘嫦娥四号’探测器成功降落在冯·卡门撞击坑的概率只有50%”，充分说明了降落于此的难度。
【注：冯·卡门撞击坑位于月球背面的南极艾特肯盆地中部，该盆地是已知太阳系最大、最深和最古老的撞击盆地，直径为2500千米，形成于40多亿年前，并可能暴露月幔物质，为探测月球深部物质提供了天然窗口。冯·卡门撞击坑是艾特肯盆地中比较典型的地貌类型，存在了大约36亿年，其保存了原始月壳的岩石，并可能含有水，具有极高的科学研究价值。】
“嫦娥四号”着陆区示意图
2. 地月信使“鹊桥”中继星
由于天体“潮汐锁定”效应，月球只能正面对着地球，一旦“嫦娥四号”降落在月背，地球上的测控站无法与月球背面建立无线电通信。
解决方案是什么？那就是中继星。
【注：潮汐锁定：就像我与你之间有一个吸引力，但是我前胸和后背受到的吸引力是不一样的，就会导致每天像是有人在牵扯我，慢慢会让我的自转和公转速度相同。月球自转一圈的时间等于绕地球公转一圈的时间，这导致月球始终以一个半球固定不变地朝向地球。】
中继星实现月背通信示意图
月球潮汐锁定示意图
茫茫太空，我们究竟要把“鹊桥”搭建在哪里，才能更好地满足任务需要呢？这一次轨道专家们选择了地——月L2点。
“鹊桥”虽然选择了L2点，但是不等于简单地飞到L2点就行，毕竟地——月L2点也被月球挡住了。所以，我们要做的是让“鹊桥”中继星围绕L2点在一个轨道上进行长期飞行。我们最终选择了Halo轨道。这个轨道是绕L2点飞行的一个周期轨道，从地球往月球方向看去近似一个椭圆形。
Halo轨道示意图
3. 如何飞往Halo轨道
解决了“鹊桥”的工作轨道问题后，下面要考虑的就是怎样飞往Halo轨道了。飞控轨道专家们给出了3种方式：直接转移、低能转移和月球引力辅助变轨转移。这3种方式各有利弊。
第一种是直接转移轨道。与地——月转移轨道类似，只是它的远地点会更远。因此，“鹊桥”出发时所需的能量比地——月转移轨道大得多，而且当它到达L2点时进行捕获控制，需要的速度增量也更大。
第二种是低能转移轨道。这个轨道虽然所需的速度增量小，但是近地点出发时需要的速度较大，且转移时间一般长达3-6个月。将来如果需要运载大量物资到月球，倒是可以采用这种方式。
第三种是月球引力辅助变轨转移轨道。“鹊桥”在飞行至近月点时，通过借力月球来改变轨道，飞向L2点。在到L2点附近时，可以不经过变轨或只需要很小的速度增量就能让“鹊桥”进入环绕L2点的Halo轨道。
通过3种方式比对分析，第三种转移方式在时间和节省能量上最优。
4. 精确捕获Halo轨道
2018年5月21日5时28分，我国首颗月球中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。5月25日，“鹊桥”成功实施近月制动，顺利进入月球至地——月L2点的转移轨道。6月14日，“鹊桥”成功进入Halo轨道，成为世界上首颗运行在地——月L2点Halo轨道的中继卫星！
五、登陆月背
2018年12月8日2时23分，“嫦娥四号”搭乘长征三号乙火箭，从中国西昌卫星发射中心发射升空。12月12日到达月球附近，并在飞控中心的精确控制下成功进入环月飞行轨道。回首“嫦娥四号”登陆月背的旅程，看似一切都很顺利，实际上一波三折，惊心动魄。
1. 意外发生
俗话说，天有不测风云。“嫦娥四号”的奔月之旅开局后不久就出现了突发状况。
12月8日上午9时，一个紧急情况传到了会场，探测器燃料意外泄漏。初步计算的燃料损失量已经远超推进剂设计余量，这意味着如果还按照前期反复论证和演练的轨道控制方案，“嫦娥四号”将无法安全落月，从而直接导致整个任务前功尽弃。
这一次，还能去月背吗？
早在任务准备阶段，轨道专家组就经过反复研究论证，提出了一种新的联合优化控制技术，既能保证各个阶段定点、定时着陆的控制，还能为“嫦娥四号”的动力下降提供更多的推进剂节余。
有了联合优化控制技术作为基础，轨道专家组通宵达旦地连续奋战，一套精确成熟的轨道重构设计方案终于如期交付，并顺利通过了评审。
令人惊叹的是，直到2019年1月3日实施动力下降时，“嫦娥四号”仍有近3千克的推进剂节余，没有动用1克动力下降燃料。
2. 环月降轨
根据既定方案，“嫦娥四号”要从距月面15千米处开始动力下降。因此，飞控中心在12月30日先将其从100千米的圆形轨道降轨调整为100千米×15千米的椭圆轨道。
2019年1月3日10时15分，动力下降开始的指令通过“鹊桥”中继星，发送至环月轨道上的“嫦娥四号”，动力下降开始。
在7500牛变推力发动机反推作用下，“嫦娥四号”的飞行速度逐步下降。约5分钟后，“嫦娥四号”携带的降落相机开机，图像通过“鹊桥”中继星传回地面。38万千米外的飞控大厅里，大家都屏住呼吸，紧盯着眼前的屏幕，期待着能够尽快亲眼见证降落月背的壮观景象。
2019年1月3日10时26分，“嫦娥四号”稳稳地落在月球背面南极艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内，中国成为世界上第一个成功实现月球背面软着陆的国家！
经过飞控中心的精确计算，中国首次获得“嫦娥四号”的落月点的坐标为东经177.57°、南纬45.46°，这也是人类首次到达月背的精确位置坐标，在人类探月征程中具有重要的里程碑意义。
3. 月面释放
“两器分离”是决定“嫦娥四号”任务成败的关键环节。分离前后工作还有哪些问题？所有的可能都想到了吗？
“嫦娥四号”登陆月背时是南向着陆，“玉兔二号”要从“嫦娥四号”的南侧踏上月背。我们分析必须进行360°环拍，以全面掌握其周边地形。若“玉兔二号”驶离后按照错误方向环绕，将严重影响月昼下午行驶到“嫦娥四号”北面完成“两器互拍”的任务。经分析研究，提出了调整导航相机俯仰角度进行环拍一圈的策略，在不增加成像耗时的基础上，确保对南北向及周边环境的成像感知，一举两得。
异常总是不期而遇，飞控中心发现“玉兔二号”全向天线B机AGC（自动增益控制）电平在太阳翼展开、桅杆展开、动作以及移动时都会产生波动，影响指令发送接收。由于整个过程都未发现天线遮挡，因此怀疑是由于嫦娥四号桅杆和定向天线反射的中继星电磁波造成了多径效应，由相位相反的反射信号抵消了部分直射信号的功率，造成接收信号减弱。
定位分析完成后，最终决策将桅杆收拢以完成后续分离过程。“玉兔二号”终于“低着头”安全驶下“嫦娥四号”。
“玉兔二号”收拢桅杆驶离“嫦娥四号”
4. “嫦娥”登台表演
“嫦娥”抱“玉兔”，翩然落月宫。1月4日晚，在飞控中心的控制下，“玉兔二号”顺利进入午休状态。人们将目光从“玉兔”身上转移到了“嫦娥”的身上。此时，“嫦娥”在忙什么呢？
“嫦娥四号”代表人类探测器第一次登陆月背，其携带的装备自然不同凡响，其中就有我国自行研制的低频射电频谱仪。
低频射电频谱仪主要用来探测波长10米及以上的低频电磁波。这类电磁波几乎无法穿透大气层进入地球，因此月球所处的空间环境就是一个绝佳的观测场所。特别在月球背面可以更好地屏蔽来自地球的射电干扰，从而获得最佳的观测效果。
地面按计划控制低频射电频谱仪完成了低频信号探测试验，为后续获取空间低频电磁数据奠定了坚实基础，也将有效填补地月射电天文观测上的空白！
站在月背之上，环顾四周，看到的将是一幅怎样的景象呢？1月6日，飞控中心按计划实施“嫦娥四号”地形地貌相机环拍计划及图像下传。经拼接处理，第一张月背全景图展现在飞控大厅的大屏幕上。原来，月背的风光也格外迷人！
5. 两器互拍
“两器互拍”是着陆月背过程中的一场重头戏，也是“嫦娥四号”任务宣布圆满成功的重要任务目标。“玉兔二号”午休结束后，飞控中心一刻不停地驾驶“玉兔二号”向“嫦娥四号”北侧预定成像点进发。
1月11日13时47分，“嫦娥四号”地形地貌相机在偏航172°、俯仰-60°位置对“玉兔二号”进行了静态成像。图像处理结果传回后，“玉兔二号”安静地出现在了画面中央，图像亮度适中，月面上车辙清晰，“嫦娥四号”天线的阴影完全消失，“玉兔二号”车身上的国旗展露着一抹绚烂的色彩。
16时41分，“嫦娥四号”对“玉兔二号”进行正式成像，16时46分，图像下传完毕，地面处理显示正常，“两器互拍”工作完成！
“嫦娥四号”地形地貌相机拍摄的“玉兔二号”正面图像
至此，“嫦娥四号”任务取得圆满成功！
6. “嫦娥四号”创造了历史
在“嫦娥四号”与“玉兔二号”互拍成功，并向全世界宣告中国探测器成功实现着陆月背后，海内外媒体彻底沸腾了。
2018年12月8日，西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射“嫦娥四号”。图｜新华社
美国国家航空航天局（NASA）局长第一时间在社交媒体上向中国“嫦娥四号”团队表示祝贺：这是人类史上的首次，更是一项“令人印象深刻的成就”！
美国太空探索技术公司CEO、特斯拉创始人马斯克也第一时间留言：“祝贺！”
美国消费者新闻与商业频道网站报道说：“嫦娥四号”成功着陆月球背面创造了历史。
《纽约时报》报道称：“嫦娥四号”成功着陆月球背面开启了人类探月历史的新篇章，充分证明中国在深空探测领域已达到世界领先水平。
俄罗斯齐奥尔科夫斯基航天研究院院士表示：“嫦娥四号”成功落月是中国取得的一项重大航天探索成就，确保探测器在月球背面着陆的技术非常复杂，此前任何国家都未能使其探测器在月球背面软着陆，中国这一成功产生了巨大的心理轰动效应。
英国《每日电讯报》网站报道称：以前人类发射的航天器曾拍到过月球远端，但还没有一艘航天器或探测器在月球背面着陆过；成功着陆月球背面是“嫦娥四号”任务的第一步，接下来它将执行一系列探测任务，将有助于人类更深入地了解月球的形成。
德意志新闻社报道称：中国现在是第一个使探测器在月球背面着陆的国家。这次登月任务的顺利进行将证明中国的太空计划正在取得重大进展。
日本媒体表示：自美国通过“阿波罗计划”将人类送上月球后，让探测器在月球着陆计划就几乎没有成功过。21世纪只有中国探测器成功着陆，中国探月已领先世界一步，这是确定无疑的。
六、结语
回首中国探测器登陆月背的探险之旅，让人心潮澎湃，感慨万千。面对月之暗面这一人类“禁区”，中华民族展现出了“敢为天下先”的魄力和勇气，迈出了人类探测器登陆月背的第一步。而嫦娥工程也帮助我们揭示了月面的诸多秘密，并使我国成为人类探索月背的先驱。
我国未来深空探测任务将重点开展月球永久阴影探测、小行星采样返回探测、火星采样返回探测、木星及行星际穿越探测、太阳系边际探测等一系列深空探测活动。随着上述任务的实施，将开拓我国深空探测的深度和广度，获取重大原创性科学发现，加快实现我国的航天强国建设。
本文来自微信公众号：瞭望智库 （ID：zhczyj），作者：北京航天飞行控制中心，编辑：田硕
