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嫦娥四號是中國探月工程的第二階段的航天器任務(wù)，它于2019年1月3日實現(xiàn)了月球遠端的第一次軟著陸。

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通信中繼衛(wèi)星鵲橋于2018年5月21日發(fā)射，6月14日至地月拉格朗日L2點軌道。著陸器和玉兔二號月球車于2018年12月8日發(fā)射升空，并于2018年12月12日進入月球軌道，然后降落在月球的遠端。嫦娥四號是中國首次登陸月球的嫦娥三號的后續(xù)任務(wù)。

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該航天器最初是嫦娥三號的后備，在2013年嫦娥三號成功著陸后，它便一直處于空閑狀態(tài)。嫦娥四號的配置重新進行了調(diào)整，以滿足新的科學(xué)和性能目標。和前序任務(wù)一樣，該任務(wù)以中國月亮女神嫦娥的名字命名。

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嫦娥四號發(fā)射

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總覽

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中國探月工程劃分為技術(shù)要求逐層遞增的四個階段：第一階段只要求到達月球軌道，嫦娥一號于2007年，嫦娥二號于2010年分別完成了此項任務(wù)。第二階段包括在月球上降落和漫游，由嫦娥三號于2013年，嫦娥四號于2019年分別完成。第三階段是從月球近端收集樣本并將其發(fā)送回地球，這是未來嫦娥五號和六號的任務(wù)。第四階段包括在月球南極附近開發(fā)科研站。探月工程旨在為2030年的載人登月減輕困難，也為在南極附近建立前哨基地打下基礎(chǔ)。為了加快航空航天創(chuàng)新，降低生產(chǎn)成本并增進軍民關(guān)系，中國探月工程已經(jīng)開始首次吸收個人和企業(yè)的私人投資。

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作為探月計劃第二階段的一部分，嫦娥四號任務(wù)最初定于2015年發(fā)射。但是調(diào)整目標和任務(wù)設(shè)計拖延了這一計劃，最終它于2018年12月8日2時23分發(fā)射升空，于2018年12月12日8時45分進入月球軌道。軌道周線于2018年12月30日0時55分降至15公里（9.3英里）。在南極艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑日出后不久，它于2019年1月3日2時26分登陸月球。

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該任務(wù)將試圖確定月球未探索區(qū)域的年齡和組成，并開發(fā)該工程后期所需的技術(shù)。

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艾特肯盆地是古代月球上的一次碰撞時間留下的隕石坑，它現(xiàn)在約13公里（8.1英里）深，人們認為月球的深部地殼甚至地幔物質(zhì)很可能已經(jīng)暴露。如果嫦娥四號能夠找到并研究其中的某些物質(zhì)，它將對月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和起源取得前所未有的認識。具體的研究目標是：

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測量月球巖石和土壤的化學(xué)成分

在任務(wù)期間測量月球表面溫度

用射電望遠鏡進行低頻射電天文觀測和研究

宇宙射線研究

觀察日冕，調(diào)查其輻射特性和機制，并探索日冕物質(zhì)拋射（CME）在太陽與地球之間的演化和傳輸

組成成分

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通信中繼衛(wèi)星鵲橋

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與月球遠端的嫦娥四號通信

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地月拉格朗日點：位于月球背后L2軌道上的衛(wèi)星可以同時擁有地球和月球遠端的視野

月球遠端不能直接與地球通信，因為傳輸信號會被月球阻擋。通信必須通過擁有著陸點和地球清晰視野的通信中繼衛(wèi)星進行。作為探月工程的一部分，中國國家航天局（CNSA）于2018年5月20日發(fā)射鵲橋中繼衛(wèi)星至地月L2點軌道。中繼衛(wèi)星是基于嫦娥二號設(shè)計的，質(zhì)量為425千克（937磅），并使用4.2米（14英尺）長的天線接收來自著陸器和月球車的X波段信號，并且將它們傳遞到S波段的地面站。

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鵲橋使用借力式飛行路線以節(jié)省燃料，并用24天到達L2軌道。2018年6月14日，鵲橋完成了最后的燃燒調(diào)整，并進入了距月球約65,000公里（40,000英里）的L2任務(wù)軌道。這是該位置的第一顆月球中繼衛(wèi)星。

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鵲橋名字的靈感來源于中國神話故事《牛郎織女》。

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龍江號微衛(wèi)星

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作為嫦娥四號任務(wù)的一部分，兩個微衛(wèi)星（每個45千克/99磅）分別命名為龍江一號和龍江二號（DSLWP）于2018年5月同鵲橋一起發(fā)射升空。龍江一號未能進入月球軌道，但龍江二號成功進入并在月球軌道上運行至2019年7月31日。龍江二號的墜毀地點位于范根特火山口內(nèi)北緯16.6956°，東經(jīng)159.5170°，并形成了一個4 x 5米的撞擊坑。這些微衛(wèi)星的任務(wù)目標是研究天體的高能現(xiàn)象，它們以非常低的頻率（1至30兆赫）觀察天空，這對應(yīng)著300至10米（984至33 英尺）的波長。由于地球電離層的影響，在地球軌道上沒有進行過該頻率范圍的觀測，所以這一研究也為科學(xué)提供了潛在突破。

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嫦娥號著陸器和玉兔二號月球車

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與中國許多航天任務(wù)一樣，航天器和任務(wù)的細節(jié)被限制公布。所知的是嫦娥四號著陸器和月球車大多是仿照嫦娥三號及其玉兔月球車設(shè)計的。實際上，嫦娥四號是嫦娥三號的后備，根據(jù)嫦娥三號的經(jīng)驗和結(jié)果，嫦娥四號為適應(yīng)新任務(wù)做出了調(diào)整。鵲橋中繼衛(wèi)星發(fā)射六個月后，長征三號乙運載火箭于2018年12月7日協(xié)調(diào)世界時18時23分發(fā)射了著陸器和月球車。

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總著陸質(zhì)量為1,200千克（2,600磅）。固定著陸器和玉兔二號月球車都裝備有放射性同位素加熱器單元（RHU），通過太陽能電池板則產(chǎn)生電能，以在漫長的月夜加熱子系統(tǒng)。

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著陸后，著陸器延長坡道以將玉兔二號部署至月球表面。月球車的尺寸為1.5×1.0×1.0米（4.9×3.3×3.3英尺），質(zhì)量為140公斤（310 磅）。玉兔二號在廣東省東莞市制造；它由太陽能供電，RHU加熱，并由六個車輪推動。月球車名義上可以運行三個月，但根據(jù)2013年玉兔號的經(jīng)驗，月球車的設(shè)計得到了改進，中國工程師希望它能夠運行“數(shù)年”。2019年12月，玉兔二號打破了蘇聯(lián)月球車1號的壽命記錄。

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科學(xué)有效載荷

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兩個小箭頭標記的著陸點視圖，月球勘測軌道器于2019年1月30日拍攝。

通信中繼衛(wèi)星，軌道微衛(wèi)星，著陸器和月球車均載有科學(xué)有效載荷。中繼衛(wèi)星進行射電天文學(xué)的研究，著陸器和玉兔二號月球車進行著陸區(qū)月球物理學(xué)的研究?？茖W(xué)有效載荷部分由瑞典、德國、荷蘭和沙特阿拉伯的國際合作伙伴提供。

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中繼衛(wèi)星

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鵲橋中繼衛(wèi)星部署在地月L2點軌道上，其主要功能是在地球與月球遠端的著陸器之間提供連續(xù)的中繼通信。

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鵲橋于2018年5月21日發(fā)射升空。它利用借力式飛行路線到達月球。第一次軌道修正策略（TCM）之后，航天器就位。鵲橋在5月25日到達了L2附近。經(jīng)過幾次微小調(diào)整，鵲橋于6月14日到達L2軌道。

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此外，這顆衛(wèi)星還擁有了荷蘭—中國低頻探測器（NCLE），這是一種在未被探索過的80千赫至80兆赫進行天體物理學(xué)研究的儀器，由荷蘭的拉德布德大學(xué)和中國科學(xué)院共同開發(fā)。軌道器上的NCLE和著陸器上的LFS協(xié)同工作，以進行低頻（0.1至80 兆赫）射電天文觀測。

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月球著陸器

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嫦娥四號著陸器（左箭頭）和月球車（右箭頭）。圖源：NASA，2019年2月8日

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著陸后6個月的嫦娥四號著陸器（中心）和月球車（著陸器西北方）。

著陸器和月球車攜帶有效載荷來研究著陸區(qū)的月球物理學(xué)，它具有生命科學(xué)和適度的化學(xué)分析能力。著陸器具有以下有效載荷：

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降落相機（LCAM），它安裝在航天器底部，并在月面上方12公里（7.5英里）處拍攝視頻。

地形地貌相機（TCAM），它安裝在著陸器頂部，并能夠360°旋轉(zhuǎn)，用于對月球表面和月球車進行高清成像。

低頻射電頻譜儀（LFS），用于研究頻率在0.1–40兆赫之間的太陽射電爆發(fā)并研究月球的電離層。

月表中子與輻射劑量探測儀（LND），由德國基爾大學(xué)開發(fā)，它將測定輻射劑量，為未來人類探索月球做參考，并為研究太陽風(fēng)做出貢獻。

月球微生態(tài)系統(tǒng)，它是一個3千克（6.6磅）密封的生物圈圓筒，長18厘米（7.1英寸），直徑16厘米（6.3英寸），它裝有種子和蟲卵，以測試植物和昆蟲是否可以協(xié)同孵化生長。實驗包括六種生物：棉籽、馬鈴薯、油菜籽、擬南芥（一種開花植物）、酵母菌和果蠅卵。排除月球的低重力和輻射，環(huán)境系統(tǒng)保持了容器內(nèi)類地的宜居狀態(tài)。如果蠅卵孵化，幼蟲會產(chǎn)生二氧化碳，而發(fā)芽的植物則會通過光合作用釋放氧氣，科學(xué)家期待植物和果蠅能夠一起在容器內(nèi)產(chǎn)生簡單的協(xié)同效應(yīng)。酵母菌起到調(diào)節(jié)二氧化碳和氧氣的作用，并分解果蠅和枯死植物的加工廢料，從而為昆蟲提供額外的食物來源。這項生物學(xué)實驗是由28所中國大學(xué)聯(lián)合設(shè)計的。這種封閉的生態(tài)系統(tǒng)中的研究成果將有益于天體生物學(xué)研究，以及空間站或太空棲息地的長期任務(wù)中生物生命支持系統(tǒng)的發(fā)展，以最終達成太空農(nóng)業(yè)的目標。

結(jié)果：2019年1月3日，在著陸后的幾個小時內(nèi)，生物圈的溫度被調(diào)節(jié)至24°C，種子也已被灌溉。2019年1月15日，棉籽，油菜籽和馬鈴薯種子都發(fā)芽了，但只有棉籽的圖像被發(fā)布出來。但是在1月16日，由于月夜臨近時外界溫度降至-52°C（-62°F），而生物圈未能加熱至24°C左右，擬定進行一百天的實驗被迫在第九天終止，不過科學(xué)家還是獲得了有價值的信息。

月球車

全景相機（PCAM），它安裝在月球車的桅桿上，并可以旋轉(zhuǎn)360°。它的光譜范圍為420納米至700納米，并可以通過雙目立體視覺獲得3D圖像。

測月雷達（LPR），垂直分辨率為30厘米時，它的探測深度約為30米；垂直分辨率為10米時，探測深度將超過100米。

紅外成像光譜儀（VNIS），它可用于成像光譜，之后用于識別月面物質(zhì)和大氣微量氣體。光譜范圍覆蓋可見光到近紅外光波長（450納米至950納米）。

中性原子探測儀（ASAN），它是由瑞典空間物理研究所（IRF）提供的高能中性原子分析儀。它將揭示太陽風(fēng)如何與月面相互作用，這有助于確定月球水形成的過程。

登陸地點

著陸點位于月球遠端南極艾特肯盆地中的馮·卡門撞擊坑內(nèi)（直徑180公里/110英里），該區(qū)域尚未被著陸器勘探過。它同時具有象征意義和科學(xué)價值，西奧多·馮·卡曼（Theodore ?von Kármán）是中國太空計劃創(chuàng)始人錢學(xué)森的博士導(dǎo)師。

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著陸器于2019年1月3日協(xié)調(diào)世界時2時26分降落，成為第一顆在月球遠端著陸的航天器。

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著陸點坐標為東經(jīng)177.5991°，南緯45.4446°，海拔-5935米。

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降落后約12小時，玉兔二號月球車部署成功。

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運作與結(jié)果

降落后的幾天，玉兔二號進入了第一次月夜休眠模式，并于2019年1月29日重新啟動，所有設(shè)備均正常運轉(zhuǎn)。在月球的第一個滿月日期間，月球車行駛了120 米（390英尺），并在2019年2月11日關(guān)閉了電源，進行第二次休眠。據(jù)報道，嫦娥四號于2019年5月識別出了月表的地幔巖。2020年1月，中國發(fā)布了著陸器和月球車采集的大量數(shù)據(jù)和高分辨率圖像。2020年2月，中國天文學(xué)家首次報道了一組月球噴出物的高分辨率圖像，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了直接分析。以上都基于玉兔二號上的月球表層穿透雷達（LPR）在研究月球遠端時所做的觀察。

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與其他國家的合作

嫦娥四號標志著自2011年國會禁令以來中美兩國在太空探索領(lǐng)域的首次重大合作。兩國的科學(xué)家們在降落前進行了定期會談。會談包括觀察降落過程中探測器的火箭排氣所導(dǎo)致的在月表升起的煙霧和顆粒，以將結(jié)果與理論預(yù)測相比較?？上г谥戇^程中，NASA的月球勘測軌道器（LRO）不在正確位置。此外美國還向中國科學(xué)家通報了他們在月球軌道上部署的衛(wèi)星，而中國則與美國科學(xué)家分享了嫦娥四號著陸的經(jīng)緯度和時間點。

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月球遠端的第一張全景照

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中國已經(jīng)同意NASA在未來的美國月球任務(wù)中使用嫦娥四號探測器和鵲橋中繼衛(wèi)星。

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FY：重返橘子共和國

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