我们为什么要奔月？

“嫦娥四号”登上了月球背面。地点是南极-艾特肯盆地里的冯·卡门环形山，这是人类探测器第一次在月球背面软着陆。1959年，苏联的“月球3号”探测器让人们远远窥见了它的样子。1968年，美国“阿波罗8号”宇航员，第一次用肉眼看到了它。

作为普通人，虽然可以在任天堂发行的游戏《超级马里奥：奥德赛》中，穿上宇航服，在“月之暗面”的关卡里游览个痛快，但终究不如现实里那么“货真价实”。艾特肯盆地是太阳系第二大环形山，直径超过2500公里。科学家们在上世纪90年代就希望一睹芳容，那里的岩石可能有40亿年的历史，还含有相当含量的氦-3与液态冰。

2018年2月，印度宣称“月船2号”将探测这一地区。这里也是美国宇航局早就希望“落脚”、并派遣机器人取回岩石样本的地方。不过，归根结底，还是中国的月亮女神“嫦娥”先行一步。

（12月8日2时23分，我国在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探测器，开启了人类首次月球背面软着陆的探测之旅。）

在地球上，月球背面是无法观测的“盲区”。所以关于它的阴谋论极其流行。比如迈克尔·贝执导的电影《变形金刚3：月黑之时》就改写了“阿波罗11号”的登月历史。影片中，美国前总统肯尼迪在“阿波罗”登陆前提醒宇航员注意外星人的行踪。果然，宇航员们在月球上发现了飞船“方舟”和年迈的汽车人“御天敌”。

突然，全球直播的登月实况中断。肯尼迪命令阿姆斯特朗不遗余力地跑向月球背面，在无线电信号中断的21分钟里，阿姆斯特朗是在执行另一个任务——从月球背面带回变形金刚的核心科技——当个故事听听就好了。因为“阿波罗11号”的着陆点是静海，北纬0.8°，东经23.5°，几乎就在赤道上。

如果这个说法成真，相当于阿姆斯特朗在21分钟内穿着宇航服跑完四分之一的月球赤道长度。长度算2700公里的话，阿姆斯特朗一分钟就要跑将近130公里。如果他要在21分钟后准时出现在镜头里，那就是一个来回，一分钟就要跑260公里了。如果他有这种速度，除非也是个变形金刚……

其实月球也很委屈。它只是自己不会发光。而且，它不仅绕着地球公转，也绕着自身的轴自转。它的自转速度与绕地球公转所需的时间相等。这个原理也被称为“潮汐锁定”，大的天体对小的天体形成潮汐力，使小天体一直以同一面“示人”。月球的公转周期和自转周期为1:1，因此，在地球上的人看来，月球总是露出它的“正面”。

如果有一天人们站在火星上，也会发现火星的卫星——火卫一、火卫二，同样有着“潮汐锁定”现象。

而且，“嫦娥四号”探索的还是月球背面的高纬地区。过去，美国和苏联都向月球发射过很多探测器，不过范围都局限在赤道两侧26°的带状地区。包括宇航员的活动范围。因为天体表面的线速度不同，南北极的线速度最小，赤道的线速度最大，等于零。

这就好比一把转动的雨伞。伞顶相当于北极，转动时，线速度最小。伞的边缘相当于赤道，转动时，雨水会从这里而不是伞顶飞出去，因为这里的线速度最大。发射时，赤道上耗费的能源是北纬70°的一半。所以，地球上的很多火箭发射基地都尽量选在低纬度地带，像中国的文昌，法国的库鲁。在月球也是一样的道理，赤道附近降落也容易，再出发也容易。

冯·卡门环形山的坐标是南纬45.5°，东经177.6°。显然，“嫦娥四号”迎难而上。

“嫦娥四号”其实是个“备胎”。它原本的命运是，做“嫦娥三号”的备份探测器。2013年，“嫦娥三号”圆满完成了任务，着陆在月球正面的虹湾，还留下了令人魂牵梦萦的月球车“玉兔”。这样，“嫦娥四号”又有了新使命。

它包含了登陆器和漫游车。登陆器重1.2吨，漫游车重140千克。登陆器有放射性同位素热电机，可以在三个月的任务期限里为搭载的科学仪器供电。漫游车才是探索月球背面的主角。而且，经过将近45万中国公民的投票，它的名字叫“玉兔二号”，以此来纪念它的弟弟或妹妹——在月球孤独工作了972天后停摆的“玉兔”。

“玉兔二号”配备了太阳能电池板，能挖掘和分析土壤样本，还搭载了全景摄像机来拍摄月球表面的三维图像，也搭载了探测雷达、可见光和近红外成像光谱仪，来探测月球背面的地形和矿物组成成分。

它还带了一个3千克的密封容器，里面装了马铃薯、拟南芥种子和蚕卵，好测试植物和昆虫能否在月球共生。蚕卵一旦孵化，幼虫会产生二氧化碳，而萌发的植物会通过光合作用释放氧气，有望在容器内共建一个微型的生态系统。这一实验由28所中国大学设计。1982年的时候，苏联“礼炮七号”空间站就种了一些拟南芥，它们在太空开花、死亡，寿命为40天。

2019年1月4日，玉兔二号巡视器继续月背行走，嫦娥四号部分有效载荷开机工作。图为着陆器地形地貌相机拍摄的玉兔二号在A点影像图。（国家航天局供图）

“嫦娥四号”靠“鹊桥”向地球传递佳音。“鹊桥”是2018年5月发射的中继卫星，就处在地月之间的拉格朗日L2点。因为月球背面无法和地球直接通信，漫游车必须要先把信号发到“鹊桥”上，进行一次“信息中转”。当年“阿波罗11号”飞到月球背面的时候，通信联系全部中断，在那半个多小时里，整个地球都屏住了呼吸。

“嫦娥四号”是中国探月工程的一部分。整个庞大的计划也称“嫦娥工程”，由中国国家航天局主导，于2003年3月1日正式启动。可能需要30多年的时间完成。

“嫦娥工程”分“大三步”和“小三步”。“大三步”是“探”“登”“驻”——无人探月，载人登月，长久驻月。其中“探”分为“小三步”，“绕”“落”“回”。

“嫦娥一号”和“嫦娥二号”做的是“绕”，2007年启动，作为月球轨道器，在距离月球表面两千公里的高度绕月飞行，进行全球探测。“嫦娥三号”和“嫦娥四号”做的是“落”，2013年启动，发射月球着陆器，落到月球表面，释放一个月球车，在着陆区进行详细探测。

所以，“玉兔二号”也将陪伴“玉兔”，永远留在月球表面。但是它们很快就能等来“能回家”的“玉兔三号”。

到“嫦娥五号”“嫦娥六号”，就会发射月球自动采样返回器，降落到月球表面采集样本后，返回器还会回到地球。这就是“回”。目前，“嫦娥五号”预定在2019年12月前后发射，“嫦娥六号”预定在2024年发射。

“小三步”完成得差不多了，“载人登月”就会提上日程，并在2030年代得以实现。那时，中国也可以把“一小步”变成“全人类的一大步”了。

北京，2019年1月3日，北京航天飞行控制中心，科研人员庆祝降落成功。

“嫦娥四号”跟“嫦娥三号”结构类似，完成的任务也类似，突破的技术难关也比较接近。

月球表面没有大气，没法利用气动减速的办法着陆。嫦娥四号首先要靠自身推进系统减少近1.7km/s的速度，这要求它自己的推进系统的速度增量必须够大。同时，下降过程中，探测器的质量不断减小，重力也随之变化，自身的推力也要可以调整才行。

软着陆的下降过程，是个时间短、速度变化大、不可逆的过程，没法依靠地面实施制导和控制，只能靠自己的GNC系统——利用基于对月测速、测距和地形识别的敏感器来进行全自主的制导、导航、控制。而且月球背面很少有“完整”的地方，坑坑洼洼，嫦娥四号还得有一定的自主避障能力。

着陆时，着陆器撞击月面会形成较大的冲击载荷，必须要有着陆缓冲系统来吸收冲击载荷，还得保证它不翻倒、不陷落，给探测器一个稳固的“肩膀”。

巡视探测的过程也很复杂。月球车要在有限的能源下前进、后退、转弯、爬坡、越障，并保持运动的稳定性。车轮形态、悬架形式、月壤可行驶性和移动性能仿真性都是要处理的问题。

到了预先指定的工作地点后，月球车还要具备在环境中识别危险、确定自身姿态位置、辨别目标位置、规划到达目标位置的能力。这需要基于多种传感器信息融合的路径规划技术。

这些难点，“嫦娥三号”和“嫦娥四号”都攻克了。“嫦娥四号”主要是优化了降落过程的制导程序，月球车也会等待电力充满再工作。

1月3日在北京航天飞行控制中心拍摄的嫦娥四号探测器着陆的降落过程（示意图）。

地球人很早就惦记着“上月球”了。“琼楼玉宇，高处不胜寒。”科幻小说家儒勒·凡尔纳写了《从地球到月球》，吸引了鲁迅为之翻译。他在序言中连连称奇：“然人类者，有希望进步之生物也，故其一部分，略得光明，犹不知魇，发大希望，思斥吸力，腾空气，泠然神行，无有障碍。”

当然，登上月球，一方面是满足科学探索的好奇心，一方面也有很多现实的因素。“阿波罗号”任务带回的样本证实了氦-3的存在。根据探测结果，月球上的氦-3含量估计在100万吨以上。氦-3是氦的同位素之一，地球上的储量极其稀少，只有10-15吨。使用氦-3的核反应堆没有中子，因为纯氦-3的热核反应只会产生没有放射性的质子，因此也就不会产生辐射。

据专家计算，如果采用氘和氦-3进行核聚变反应来发电，美国年发电总量仅需消耗25吨氦-3。以目前全球电价和空间运输成本算，1吨氦-3的价值约40亿美元。但随着空间技术的成熟，运输成本一定会下降。法国科学家就宣布2030年将使用氦-3进行商业发电。

印度也早就瞄准了月球上的氦-3。原定于2018年发射的“月船2号”的目的正在于此。不过，对月球开采，只有美国和卢森堡通过了立法，允许商业实体将太空开采的东西据为己有。目前，还没有任何国际性条约。

月球南极的艾特肯盆地，正是氦-3的丰富储地。“嫦娥工程”的“科学目标”中就包括，“评估月壤中氦-3的资源量与分布”。

除了为地球提供能源，月球最大的作用还是做一个“中转站”。比如建天文台。没有大气层遮挡，没有电磁波干扰，绝对是天文观测的最佳场所。此外，从月球背面能看到宇宙深处，从月球南极能看到银河系的中心。

在月球上建火箭发射场也特别有利。首先燃料可以就地取材，其次重力小，发射轻松。所以美国的长期空间探索计划是要先建立月球基地，再从月球基地出发去探索火星。

欧洲航天局在2017年曾发布的3D打印月球基地效果图。

相对于美国航天事业的“遥遥领先”苏联-俄罗斯的殷实家底，印度一直希望坐稳“第三名”的位置。不过这一愿望一直未能顺利实现。

继美国和俄罗斯之后，中国是第三个用自己的火箭将自己的宇航员送上太空的国家。首次载人行动是2003年，从那以后，中国已经将11名宇航员送入太空。2016年，两位中国宇航员在中国的第二空间站“天宫二号”驻留了30天。一旦国际空间站退役——特朗普政府已经提议在2025年前终止联邦拨款，那么“天宫二号”将成为轨道中唯一的空间站。

2018年，中国向太空发射了38枚火箭——首次在数量上超过了其他国家；10月有一次发射任务失败。长征-5重型火箭也将担负更大的责任，虽然尚未得知它何时执行低地轨道任务，但有消息表明它有可能发射东方红-5卫星。

2018年的大多数发射中，中国火箭都装载了自己的全球定位系统——北斗。这个系统已经覆盖了中国和亚洲的大部分地区，定位精度水平5米、高程5米（95%置信度），“一带一路”国家和地区均可使用。2018年12月27日起，北斗系统开始提供全球服务。

（2018年11月19日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭（及远征一号上面级），以“一箭双星”方式成功发射第四十二、四十三颗北斗导航卫星，这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星，是我国北斗三号系统第十八、十九颗组网卫星。）

至于“火星任务”，则有可能在21世纪的40年代至60年代启动。中国火星探测计划中的第一颗火星探测器“萤火一号”，2011年11月发射成功，但俄罗斯联邦航天局提供的福布斯-土壤探测器没能按计划变轨，被困在距离地表206到340公里的太空中。俄罗斯先后两次抢救均未成功。“萤火一号”最后于2012年1月坠入太平洋。

而印度在火星探测上破了一个纪录。2014年9月，印度发射的火星轨道探测器成功进入火星轨道，是全球首个第一次尝试便成功入轨的国家，仅排在俄罗斯、美国和欧洲之后。但是除此之外，无论是发射火箭、卫星，还是载人、探月，印度的速度都不算太快。

印度的登月计划也分三个阶段，第一阶段是发射无人探测器“月船一号”。这一目标已在2008年达成。第二阶段是发射登月机器人。原定“月船二号”将于2019年1月发射，但因故再度推迟，官方表示目前无法确定发射日期。

2018年12月28日，印度内阁会议批准了载人在太空停留7天的“加冈扬”计划。这是印度首项载人太空任务，将用GSLVMarkIII火箭发射“加冈扬”轨道宇宙飞船，载3名宇航员到距离地表400公里的太空轨道。计划耗资1000亿卢比，于2020年进行。

太空探索是一个极其耗费时间和资金的事情。这不是小国能办到的。对于大国来说，太空探索必须作为国家级优先事项，不受政治、经济波动的影响，才能保证计划稳定的实行。探索的时间、名次、难度，就像国家的勋章，这种荣誉是被记载在人类史册上的。

作者|南风窗高级记者荣智慧rzh@

编辑|蒙洁华mjh@

排版|GINNY