月背征途

编者按：

月背探测是中国航天的首个世界第一，具有巨大的科学和工程意义，是人类航天史上的重大突破。本刊从中国科学技术出版社出版的《月背征途》一书中节选部分章节，记录“玉兔二号”探测月背的精彩过程和所获得的惊人科学发现。

第一次“休眠”

2019年1月11日，举国瞩目的“嫦娥四号”“两器互拍”落下了帷幕。忙碌了一整个月昼的“玉兔二号”也要准备“休眠”度过寒冷的月夜了，驾驶员们开始着手在地形图上寻找“休眠”点，但附近能够满足“休眠”的区域比较少。在经过反复测量计算后，驾驶员们选定了一块条件较好、可满足“休眠”姿态要求的区域，作为“玉兔二号”在月背的第一个“休眠”点。从地形图上看，这也几乎是附近唯一的“休眠”区域了。

一切就绪后，驾驶员们正准备按规划实施移动，却突然发现“鹊桥”中继星的高度偏低，如果“玉兔二号”向预定“休眠”方向行驶的话，安装在“玉兔二号”前方桅杆上的定向天线可能对尾部的全向接收天线产生遮挡，这样可能会造成地面短时间内失去对“玉兔二号”的控制，这样的局面是驾驶员们绝不想看到的。

然而看看前方唯一的一块黄色区域——“休眠区域”，“玉兔二号”似乎也没有别的选择。有人提出，我们可以将竖起的桅杆放倒，这样定向天线就能够随之卧倒在“玉兔二号”上，不会对全向接收天线造成遮挡了。这样的提议让大家眼前一亮，经过测算，这个方案可行。随即飞控中心发送指令将“玉兔二号”的桅杆放倒，接着移动指令发送，“玉兔二号”又一次“低着头”走向了“休眠”点。

来到了“休眠”位置，可不代表要马上“入睡”。按照工作规划，“玉兔二号”还需要在此地进行一次转向和科学探测。毕竟这是“玉兔二号”在月背的第一次“休眠”，所以驾驶员们特别谨慎。他们对月背的月壤质地还知之甚少，虽然现在姿态满足“休眠”要求，但就怕月壤土质太松软，原地转向对地势造成破坏性的影响，导致此地不再能满足“休眠”姿态要求。大家心里都有些忐忑。在完成了科学探测后，飞控中心又控制“玉兔二号”转到了“休眠”航向，遥测显示当前姿态与预估的姿态差别不大，可满足“玉兔二号”的“休眠”姿态要求，大家悬着的心这才落下来。

1月13日3时39分，在驾驶员们的控制下，“玉兔二号”“休眠”状态设置完成，进入了月夜“休眠”模式，等待阳光将它唤醒。

在月球上种棉花

中国自古以来便是纺织大国。这次“嫦娥”登月，也带上了棉花种子，准备在月球背面种棉花，将地球生物搬上月球！

由于月球环境具有真空、微重力、强辐射、极端温差等特点，要求动植物能耐高温、抗冻，而且能够抗辐射和抗干扰。经科学分析及精挑细选，生物科普试验载荷共搭载了6种生物，分别是棉花种子、油菜种子、马铃薯种子、拟南芥种子、酵母菌和果蝇。其中，马铃薯可能是航天员未来在太空的主食之一，拟南芥、酵母菌和果蝇都是生命科学领域重要的模式生物。上述6种生物构成一个含有生产者、消费者和分解者的微型生态系统。植物产生氧气，并作为食物供其他生物消费。作为消费者的果蝇和分解者的酵母菌通过消耗氧气产生二氧化碳，供植物进行光合作用。酵母菌可以通过分解植物和果蝇废弃物而生长，并能作为果蝇的食物。

2019年1月3日23时18分40秒，“嫦娥四号”落月12.88小时时，飞控中心控制生物科普试验载荷加电。在生物科普试验载荷开机后约30分钟，飞控中心成功放水，6种生物进入月面生长发育模式。后续每隔一段时间就拍照记录下它们的图像。根据下传的遥测显示，科普载荷内部压力约1个大气压，温度在10℃～35℃，可满足生物基本生长需求。

经历了24小时焦急的等待，1月4日21时43分，在主相机视场内出现了一颗种子萌芽！整个飞控大厅沸腾了。经专家确认，生物科普试验载荷内棉花种子已经发育为胚根，在阳光的照耀下，随着时间的流逝，幼芽逐渐长大。面对这一生态奇迹，国外网友惊叹：“中国人把丝绸之路延伸到了月球！”

随“嫦娥四号”登陆月球背面的生物科普试验载荷陆续传回试验照片，显示载荷内生长出的植物嫩芽长势良好。这是在经历月球极端真空、极端温差、强辐射等严峻环境考验后，人类第一次在月面上做生物生长试验。生物科普试验载荷已初步实现人类首次月面生物试验。1月7日传回的照片显示，此次生物试验实现了在荒芜的月球上培育出第一株植物嫩芽，并随着时间的推移，成功实现人类有史以来第一片在月球上生长的绿叶，对人类之后建立月球基地提供了很好的研究基础和经验，具有重要的借鉴意义。

有惊无险的唤醒

1月29日是“玉兔二号”在月背第一次被唤醒的日子，驾驶员们早早地来到遥操作厅，目不转睛地盯着屏幕，等待“玉兔二号”传来的遥测信号。9时31分，“鹊桥”中继星完成了返向链路设置，一切准备就绪，按照估计，“玉兔二号”马上就要“醒”过来了。

然而眼巴巴地等了40多分钟，一直没有收到“玉兔二号”传回的遥测信号，驾驶员们有点坐不住了。终于，遥操作厅里响起了激动的声音：“来了，来了！”大家赶紧围上去，屏幕显示“鹊桥”中继星已经锁定“玉兔二号”的载波信号，然而遥测信号却一直没有收到，飞控中心的驾驶员们反复确认“鹊桥”中继星的状态，一切正常，为什么“玉兔”都到门口了却迟迟不敲门呢？

原来“玉兔二号”的遥测信号是以帧的方式连续传输的，“鹊桥”中继星要想正确地解出遥测信号并传给地面，必须辨认出每帧遥测的帧头在哪里。这个遥测帧头就是帧同步码，它是靠一个固定的8位同步码来做标记的，就像一列火车有1号车厢，找到它就能找到其他车厢了。

而中继星为了在有空间环境干扰导致误码较高的情况下依然能认出帧同步码，设定了一定的容错机制。很有可能是空间环境干扰导致“玉兔二号”传回的某些遥测信号长得很像这个帧同步码，导致“鹊桥”认错了帧头，无法正确解出“玉兔二号”的遥测信号。

驾驶员们根据预案，控制中继星对“玉兔二号”进行了重新锁定，然而，期待中的遥测信号还是没有出现。驾驶员们顶住压力，控制中继星对“玉兔二号”进行第二次锁定，飞控中心监视人员报告“遥测接收开始”，地面终于可以解出“玉兔二号”传回的正常遥测信号了，一个不平凡的月昼就这样开始了。

月背到底有多冷

我们知道月球上正午时有超过100℃的高温，然而月球的晚上究竟有多冷，却没有人测到过，这是因为探测器在月夜需要关闭仪器设备，进入“休眠”模式。

这次“嫦娥四号”携带了一个神秘而强大的装置——同位素电池，不仅可以在月夜散发热量为“嫦娥四号”保温，还可以输出约2瓦功率的电能，保证月夜温度计——月夜温度采集器可以在近半个月的寒冷月夜中持续工作。通过这两个“神器”，我们有望第一次探知月球背面的夜晚到底有多冷。

“两器分离”后6小时，地面发令控制月夜温度采集器加电。经过检查，月夜温度采集器状态良好，具备实施月夜温度采集的条件。随着太阳西移，寒冷的月夜即将来临，马上要进入月夜“休眠”状态了。地面发令控制供暖系统接通，等同位素热源温度低于-120℃后，再将月夜温度采集器的供电切换为同位素热源供电。

2小时后，地面又对同位素电池供电期间月夜温度采集器采集数据的下传状态进行检查确认，一切正常。等“嫦娥四号”完成“休眠”设置，月背又安静下来，月夜温度采集器就正式开始工作了，月夜温度采集器每隔15分钟采集一次月夜的温度情况，整个月夜都在兢兢业业地采集。1月31日16时43分，飞控中心控制“嫦娥四号”将月夜温度采集器的工作成果进行了下传，测量结果表明最低温度达到-190℃，这是人类历史上首次测量到月球背面的月夜温度！

突破114.8米

114.8，这个看似毫无含义的数字对“玉兔二号”的驾驶员们而言却是一个心结。6年前，“玉兔一号”在行走114.8米后控制系统发生故障，永远地停在了月球表面。38万千米之外的飞控中心遥操作大厅里时间仿佛停滞，114.8米成为当时在场的驾驶员们心中挥之不去的阴影。

6年转瞬即逝，其中一位当年的年轻驾驶员已成为遥操作型号总师，凭借丰富的驾驶经验和精湛的驾驶技术，带领着年轻的遥操作团队，圆满地完成了“玉兔二号”前期的遥操作任务。

2019年2月10日是“玉兔二号”探索月球背面的第39天。晚上9点，“玉兔二号”顺利找到“休眠”区，准备接收“休眠”指令。此时的飞控中心遥操作大厅灯火通明。经过两个月昼的连续奋战，每天不间断工作的驾驶员们已经筋疲力尽。遥测数据显示，“玉兔二号”在第二个月昼期间行驶了70.3米，累计里程达到114.5米，距离114.8米只剩下0.3米了……看到这个数字，所有人都被震动了，往昔的记忆又涌上心头。

不过，“玉兔二号”已经进入准备“休眠”姿态，如果继续行走，万一找不到合适的“休眠”点就还要费一番工夫。是就此“休眠”还是坚持突破？大家都用盼望的眼神望着6年前操作过“玉兔一号”的型号总师。很快测控系统总指挥收到了“‘玉兔二号’已经行驶114.5米，请求延长测控跟踪，利用‘休眠’前的时间再走一步”的请示。测控系统总指挥几乎没有任何犹豫便批复道：“同意！”并鼓励大家：“抓住契机，勇敢突破！”

驾驶员们的热情瞬间被点燃了，经过反复讨论、迭代计算、复核验证等一连串复杂的过程，1小时之内行进方案已经出炉。紧接着，驾驶员们向勇敢的“玉兔二号”发出了移动指令……这是“玉兔二号”在月背的第40天。2月11日凌晨2时20分，“玉兔二号”再次顺利移动了5.5米，两个月昼累计行驶120米，成功打破了“玉兔一号”的行驶纪录！

超越114.8米，不仅是“玉兔二号”的重大突破，更是中国探月工程中的一个里程碑。自此，“玉兔二号”前进的每一步都在刷新着历史纪录。

“玉兔”导航员

“开始导航，前方……请小心驾驶！”在地面开车时，我们对导航仪这样的温馨提示一定不会陌生，但在月球背面你知道谁为“玉兔二号”指路吗？

在飞控中心就有着这么一个重要的岗位——视觉定位与图像处理。这个岗位的人员利用月球轨道卫星拍摄的月面图像和“玉兔二号”获得的月表图像对“玉兔二号”当前的位置进行定位，并给出下一步走向何处的规划设计，堪称“玉兔导航员”。

在月背导航工作中，导航员不仅要根据科学家选定的探测目标来规划路线，还要给出选择此路的原因，更要把目光放长远，为“玉兔二号”做好长远规划，确保“玉兔二号”在月背待得更久，走得更远。

“嫦娥四号”在月背成功着陆后，导航员们第一时间报出了落月坐标，随即开启了为“玉兔二号”探索之旅保驾护航的工作。导航员们一直在琢磨的一件事就是：往哪儿走。月球上没有北斗导航，也没有地图，“嫦娥二号”拍摄的高清全月图发挥了重要作用。

由于着陆点在月球南极，为防止月球车被自己的影子遮挡住脚下的路，应向西北或东北方向行驶。在对“嫦娥四号”拍摄的月面图像和之前“嫦娥二号”拍摄的月面图像进行分析后，导航员们认为着陆点西北方向地形障碍较少，便于长期行进，最终决定一路向西出发。

导航员们同时确定了用之前“嫦娥二号”拍摄的7米分辨率全月图做长期规划、用全景相机拍摄的图像做中期规划、用导航相机拍摄的图像做当前规划的策略，共同助力“玉兔二号”挺进月球大西北。

疯狂的石头

自“玉兔二号”踏上月背的那一天起，它便肩负着一项重要的使命——揭示月球背面的奥秘。尽管“玉兔二号”自带4件探测利器，但想派上用场还需要找到合适的探测目标。然而，荒凉的月背上要么是无法抵达的撞击坑，要么是松软的月壤。现在已经是第3个月昼了，有价值的探测目标一直没有出现，科学家们有些坐不住了。

2019年3月1日，驾驶员们一如既往地筛选着“玉兔二号”下传的导航相机拍摄的照片。突然，他们的目光被一张图片吸引住了，在“玉兔二号”的前方不远处，一片碎石星罗棋布地散落在月壤之上，仿佛一盘未曾下完的棋。有一块体积较大的石头静静地躺在“棋盘”前，仿佛一颗遗失的珠宝，上面蒙着一层浅浅的月壤，与周围平坦的地形相比显得有些不同寻常。

别看这块石头从图片中看不出非凡之处，但在遍布撞击坑和松软月壤的月背，它的存在十分耐人寻味。它可能是天外飞来的陨石，代表着宇宙天体对月球的问候；也有可能是陨石撞击月背溅射出来的物质，埋藏着月幔最深处的秘密。