首登月球背面3周年！嫦娥四号辉煌背后的艰辛曾遇燃料泄漏

　　3年前的1月3日上午10时26分，探月工程四期首个探测器嫦娥四号成功登陆月球背面，成为人类首个软着陆于月球背面的探测器。着陆点精确坐标是＂177.588 E，45.457 S＂，位于月球背面南极-艾特肯盆地中部冯·卡门撞击坑内。
　　嫦娥四号着陆月球背面后着陆器避障相机拍摄画面
　　成功登陆月球背面三年以来嫦娥四号任务取得了一系列原创科学探测成果，工程能力方面，玉兔二号巡视器也已经成为人类在月面部署正常行驶探测时间最长的月球车。
　　玉兔二号月球车避障相机拍摄的月面
　　嫦娥四号是我国航天史上第二次登月任务，它充分继承了嫦娥三号的着陆导航与控制技术，然而相较于后者，嫦娥四号的登月任务要艰难得多，此次任务的成功标志着嫦娥探月工程具备了全月面到达能力，意思就是可以根据探测需求任意选择着陆区。
　　嫦娥四号探测器
　　与嫦娥三号一样，嫦娥四号的登月过程也分为主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段、着陆缓冲段，总计7个阶段，但是月球背面地形相较于月球正面更加崎岖，撞击坑分布密度更大，导致着陆区面积更为狭小，仅有嫦娥三号着陆区面积的5%。
　　嫦娥四号预选主着陆区＂冯·卡门撞击坑＂
　　为了满足着陆区面积狭小的着陆需求，嫦娥四号增加了两次环月轨道修正，逐次缩小轨控残差，进而缩小着陆点散布面积。
　　除了着陆区狭小，着陆航迹下方还有着近万米的地势高度落差。如果沿用嫦娥三号那种相对平缓的下降轨迹，就会导致导航信息的跳跃，这将是着陆器控制系统难以承受之重，对此嫦娥四号修改了登月控制策略。
　　万米高差
　　比如，嫦娥三号主减速段的终点高度是3000米，嫦娥四号主减速段的终点高度则是8000米，而＂主减速段＂之后就是＂快速调整段＂，此阶段控制目的是让着陆器姿态调整至垂直以衔接＂接近段＂。
　　最终嫦娥四号在5635米高度进入姿态垂直向下的＂接近段＂，此时探测器水平速度为零，后续也只是根据避障需求进行斜向或横向移动。
　　5635米是什么概念？以坐落在我国一二级阶梯分界线上的祁连山为例，其最高峰团结峰海拔是5827米（或5808米）。
　　嫦娥四号在距月面5635米上空开始垂直降落
　　嫦娥四号着陆器姿态垂直下降的起始高度比嫦娥三号高出了三千多米，当着陆器抵达距月面近百米高度时还需要相较于嫦娥三号更长时间的悬停，以选择最终的安全着陆点。
　　先是大高度垂直降落，接着又是长时间悬停，两项需求相结合意味着燃料消耗将更大，这就对主减速发动机提出了更高要求。
　　为此，在嫦娥三号登月任务中经过实际任务检验的7500N变推力发动机再一次进行性能提升设计，将比冲指标由308秒提升至310秒。
　　7500N变推力发动机
　　＂比冲＂是指发动机单位重量燃料产生的冲量，比冲越大燃料利用效率越高，意味着更节省燃料，所以别看只有2秒的区别，背后却是发动机性能的大幅提升。
　　就是在这2秒比冲性能提升的帮助下，探月工程才拿到了执行月球背面复杂地形登陆任务的入场券，完成着陆任务后，嫦娥四号着陆器仍然有燃料节余，更进一步证明了7500N变推力发动机的能力。
　　7500N变推力发动机试车
　　相较于嫦娥三号，嫦娥四号任务还有一个显著不同，后者着陆区位于地球测控站不可见的月球背面，整个着陆过程必须全程依赖鹊桥中继卫星的测控，而这一测控又带来了不可避免的＂时延＂，因此人为干预着陆过程的可能性非常低，对着陆器自主控制能力提出了更高要求。
　　鹊桥中继星服务嫦娥四号登月测控
　　嫦娥三号成功登陆月球正面虹湾以东预选着陆区结束了人类无人探测器＂盲降月球＂的历史，所谓＂盲降＂指的是提前选择好大片开阔平坦区域并设计好弹道，然后按部就班地降下去，过程中没有避障设计，而最终落月点通常分布有大量的小型撞击坑，因为没有自主避障技术，所以人类以往的无人登月行动通常是胜败各半。
　　NASA盲降于月球正面风暴洋知海的＂勘测者-3号探测器＂
　　阿波罗载人登月计划顺利实施的关键在于引入了宇航员的人为控制策略，其安全着陆点的选择均由宇航员判断。
　　比如，执行首次载人登月任务的阿波罗11号，鹰号登月舱在距离月面仅有几十米高度时航线前方出现了一个直径180米的撞击坑，如果按照既定程序降落，他们将撞在这座撞击坑的环形山上，宇航员针对这一情况进行了及时的手动干预。
　　阿波罗11号任务鹰号登月舱在月球上空拍摄的月面
　　嫦娥四号继承了嫦娥三号的避障方案，这套方案的关键就是基于机器视觉理念的避障控制系统，在微波测距/测速敏感器、激光测距敏感器、光学避障相机、激光三维成像敏感器，以及惯性导航系统的助力下，确定着陆器的状态并生成制导目标，进而控制发动机进行推力控制，实现避障降落。
　　嫦娥四号激光测距敏感器
　　具体而言，在着陆器呈垂直向下姿态的＂接近段＂，通过光学避障相机识别较大的障碍物进行粗避障，嫦娥四号在向4130米高度降落过程中向北移动77米，避开了一个直径约200米的撞击坑，在向1495米高度降落过程中向西北方向移动44米，这里的撞击坑规模相较于前面遇到的撞击坑缩小了一倍，整体地势相对平坦。
　　激光三维成像敏感器
　　当下降至99米高度时进入悬停段，此时一台关键的设备开机工作，就是＂激光三维成像敏感器＂，它可以在短时间内同时发射16个激光波束，并在250毫秒时间内绘制一张三维立体图像，并基于螺旋搜索法快速选定安全着陆点。
　　激光三维成像敏感器作业效果图
　　选定安全着陆点后嫦娥四号进入精避障段，探测器继续向西南方向移动12米，期间穿过了直径25米的撞击坑，当到达距离月面30米时，探测器开始缓速垂直下降，最终在距离月面2至4米高度时发动机关机，进入缓冲着陆段，此时四条着陆腿将吸收最后的着陆能量，最终成功落月。
　　嫦娥四号着陆轨迹
　　嫦娥四号成功着陆冯·卡门撞击坑预选着陆区约12小时后，玉兔二号月球车于当天22时20分许驶离着陆器至月球表面。
　　通过着陆器监视相机成像画面判读，在距离着陆器坡道前十几米处就有一个直径29米的撞击坑，后来通过两器互拍以及避障相机拍摄图像进一步判读，着陆点周围有多达5个撞击坑对嫦娥四号形成包围态势，而着陆器几乎是降落在撞击坑边缘延伸的坡面上，月球背面地形之复杂由此可见一斑。
　　玉兔二号身后就是直径29米的撞击坑
　　嫦娥四号着陆器
　　嫦娥四号代表人类首登月球背面辉煌成就的背后也并非一路坦途，因为火箭将其送入轨道之后不久便发生了难以估量的危机。
　　三年前，当长征三号乙运载火箭将嫦娥四号送入近地点约205公里、远地点40万公里、倾角28.5 的地月转移轨道后约6个小时就发生了燃料泄漏险情。叶培建院士披露，整个泄漏过程约20秒钟，燃料泄漏量大概有20公斤。
　　嫦娥四号与长征三号乙＂器箭分离＂
　　燃料泄漏直接导致了两个问题，后续登月任务使用的燃料还够不够？再就是更加迫在眉睫的难题，着陆器有4个燃料储箱，一个储箱燃料泄漏将导致探测器姿态失稳。
　　由于嫦娥四号着陆器在轨飞行时间短，并没有配置用于姿态控制的动量轮，因此姿态控制完全依靠姿控发动机喷射，这会让控制系统做出持续修正探测器姿态的操作，意味着将消耗更多燃料。
　　地月转移
　　怎么办？办法总是比问题多。
　　首先是通过储箱单侧供给方案解决姿态控制问题，再之后是取消7500N变推力发动机在轨推力标定环节，并重新设计一条节省燃料消耗的优化轨道，将月球捕获轨道设计为近月点100公里、远月点430公里。
　　进入绕月轨道
　　通过多个燃料节余操作，最终确保了嫦娥四号在执行落月任务时有充足的燃料储备，整个地月转移与环月飞行阶段没有动用哪怕1克用于着陆器动力下降的燃料储备。
　　当完成落月任务后发现着陆器还有3公斤的燃料节余。（有人会说，多出这些燃料，不是恰恰证明设计不够精准吗？笔者请这些人想想，着陆器着陆过程的随机情况千变万化，如果没有冗余，当需要进行机动规避障碍物时没有燃料怎么办？）
　　在月球背面持续进行原位探测的嫦娥四号着陆器
　　航天探索最重要的是什么？是国力、是技术、是人才，但还有一点也非常重要，那就是＂经验＂。
　　以嫦娥探月工程为例，每一次任务几乎都是凿空之旅，嫦娥一号突破绕月工程难题，而后进行环月遥感探测，并为嫦娥三号提前验证部分登月控制技术；嫦娥二号突破地月直接转移技术，持续深化月球遥感探测，继而又奔赴日地拉格朗日L2点，之后又代表人类首次近距离探测了图塔蒂斯小行星，紧接着持续迈向深空多个距离节点验证深空测控网技术；嫦娥三号实现人类首次自主避障登月；嫦娥四号代表人类首登月球背面；嫦娥五号实现人类首次基于自主交会对接方案的月面采样返回任务……
　　嫦娥二号拍摄的图塔蒂斯小行星
　　正是有了这些实际工程任务的摔打磨练，我国航天才有了更加充足的准备以挑战更多不可能的任务。例如，天问一号探测器一次发射就实现对数亿公里外火星的绕落巡探测，这是人类以往地外天体探测任务中所从来没有过的，该探测器就继承并发展了大量来自嫦娥探月工程的货架产品与技术。
　　祝融号火星车
　　目前，行星探测工程已经立项，它将与嫦娥探月工程后续任务齐头并进，小行星探测、火星采样返回、木星探测、嫦娥七号、嫦娥六号、嫦娥八号等等这些任务，都将在接下来的十年之内接续实施。我们不仅有星辰大海的梦想，更有实践梦想的充足准备！