3年前的1月3日上午10時26分，探月工程四期首個探測器嫦娥四號成功登陸月球背面，成為人類首個軟著陸於月球背面的探測器。著陸點精確座標是“177.588°E，45.457°S”，位於月球背面南極-艾特肯盆地中部馮·卡門撞擊坑內。
嫦娥四號著陸月球背面後著陸器避障相機拍攝畫面
成功登陸月球背面三年以來嫦娥四號任務取得了一系列原創科學探測成果，工程能力方面，玉兔二號巡視器也已經成為人類在月面部署正常行駛探測時間最長的月球車。
玉兔二號月球車避障相機拍攝的月面
嫦娥四號是我國航天史上第二次登月任務，它充分繼承了嫦娥三號的著陸導航與控制技術，然而相較於後者，嫦娥四號的登月任務要艱難得多，此次任務的成功標誌著嫦娥探月工程具備了全月面到達能力，意思就是可以根據探測需求任意選擇著陸區。
嫦娥四號探測器
與嫦娥三號一樣，嫦娥四號的登月過程也分為主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段、著陸緩衝段，總計7個階段，但是月球背面地形相較於月球正面更加崎嶇，撞擊坑分佈密度更大，導致著陸區面積更為狹小，僅有嫦娥三號著陸區面積的5%。
嫦娥四號預選主著陸區“馮·卡門撞擊坑”
為了滿足著陸區面積狹小的著陸需求，嫦娥四號增加了兩次環月軌道修正，逐次縮小軌控殘差，進而縮小著陸點散佈面積。
除了著陸區狹小，著陸航跡下方還有著近萬米的地勢高度落差。如果沿用嫦娥三號那種相對平緩的下降軌跡，就會導致導航資訊的跳躍，這將是著陸器控制系統難以承受之重，對此嫦娥四號修改了登月控制策略。
萬米高差
比如，嫦娥三號主減速段的終點高度是3000米，嫦娥四號主減速段的終點高度則是8000米，而“主減速段”之後就是“快速調整段”，此階段控制目的是讓著陸器姿態調整至垂直以銜接“接近段”。
最終嫦娥四號在5635米高度進入姿態垂直向下的“接近段”，此時探測器水平速度為零，後續也只是根據避障需求進行斜向或橫向移動。
5635米是什麼概念？以坐落在我國一二級階梯分界線上的祁連山為例，其最高峰團結峰海拔是5827米（或5808米）。
嫦娥四號在距月面5635米上空開始垂直降落
嫦娥四號著陸器姿態垂直下降的起始高度比嫦娥三號高出了三千多米，當著陸器抵達距月面近百米高度時還需要相較於嫦娥三號更長時間的懸停，以選擇最終的安全著陸點。
先是大高度垂直降落，接著又是長時間懸停，兩項需求相結合意味著燃料消耗將更大，這就對主減速發動機提出了更高要求。
為此，在嫦娥三號登月任務中經過實際任務檢驗的7500N變推力發動機再一次進行效能提升設計，將比衝指標由308秒提升至310秒。
7500N變推力發動機
“比衝”是指發動機單位重量燃料產生的衝量，比衝越大燃料利用效率越高，意味著更節省燃料，所以別看只有2秒的區別，背後卻是發動機效能的大幅提升。
就是在這2秒比衝效能提升的幫助下，探月工程才拿到了執行月球背面複雜地形登陸任務的入場券，完成著陸任務後，嫦娥四號著陸器仍然有燃料節餘，更進一步證明了7500N變推力發動機的能力。
7500N變推力發動機試車
相較於嫦娥三號，嫦娥四號任務還有一個顯著不同，後者著陸區位於地球測控站不可見的月球背面，整個著陸過程必須全程依賴鵲橋中繼衛星的測控，而這一測控又帶來了不可避免的“時延”，因此人為干預著陸過程的可能性非常低，對著陸器自主控制能力提出了更高要求。
鵲橋中繼星服務嫦娥四號登月測控
嫦娥三號成功登陸月球正面虹灣以東預選著陸區結束了人類無人探測器“盲降月球”的歷史，所謂“盲降”指的是提前選擇好大片開闊平坦區域並設計好彈道，然後按部就班地降下去，過程中沒有避障設計，而最終落月點通常分佈有大量的小型撞擊坑，因為沒有自主避障技術，所以人類以往的無人登月行動通常是勝敗各半。
NASA盲降於月球正面風暴洋知海的“勘測者-3號探測器”
阿波羅載人登月計劃順利實施的關鍵在於引入了宇航員的人為控制策略，其安全著陸點的選擇均由宇航員判斷。
比如，執行首次載人登月任務的阿波羅11號，鷹號登月艙在距離月面僅有幾十米高度時航線前方出現了一個直徑180米的撞擊坑，如果按照既定程式降落，他們將撞在這座撞擊坑的環形山上，宇航員針對這一情況進行了及時的手動干預。
阿波羅11號任務鷹號登月艙在月球上空拍攝的月面
嫦娥四號繼承了嫦娥三號的避障方案，這套方案的關鍵就是基於機器視覺理念的避障控制系統，在微波測距/測速敏感器、鐳射測距敏感器、光學避障相機、鐳射三維成像敏感器，以及慣性導航系統的助力下，確定著陸器的狀態並生成制導目標，進而控制發動機進行推力控制，實現避障降落。
嫦娥四號鐳射測距敏感器
具體而言，在著陸器呈垂直向下姿態的“接近段”，透過光學避障相機識別較大的障礙物進行粗避障，嫦娥四號在向4130米高度降落過程中向北移動77米，避開了一個直徑約200米的撞擊坑，在向1495米高度降落過程中向西北方向移動44米，這裡的撞擊坑規模相較於前面遇到的撞擊坑縮小了一倍，整體地勢相對平坦。
鐳射三維成像敏感器
當下降至99米高度時進入懸停段，此時一臺關鍵的裝置開機工作，就是“鐳射三維成像敏感器”，它可以在短時間內同時發射16個鐳射波束，並在250毫秒時間內繪製一張三維立體影象，並基於螺旋搜尋法快速選定安全著陸點。
鐳射三維成像敏感器作業效果圖
選定安全著陸點後嫦娥四號進入精避障段，探測器繼續向西南方向移動12米，期間穿過了直徑25米的撞擊坑，當到達距離月面30米時，探測器開始緩速垂直下降，最終在距離月面2至4米高度時發動機關機，進入緩衝著陸段，此時四條著陸腿將吸收最後的著陸能量，最終成功落月。
嫦娥四號著陸軌跡
嫦娥四號成功著陸馮·卡門撞擊坑預選著陸區約12小時後，玉兔二號月球車於當天22時20分許駛離著陸器至月球表面。
透過著陸器監視相機成像畫面判讀，在距離著陸器坡道前十幾米處就有一個直徑29米的撞擊坑，後來透過兩器互拍以及避障相機拍攝影象進一步判讀，著陸點周圍有多達5個撞擊坑對嫦娥四號形成包圍態勢，而著陸器幾乎是降落在撞擊坑邊緣延伸的坡面上，月球背面地形之複雜由此可見一斑。
玉兔二號身後就是直徑29米的撞擊坑
嫦娥四號著陸器
嫦娥四號代表人類首登月球背面輝煌成就的背後也並非一路坦途，因為火箭將其送入軌道之後不久便發生了難以估量的危機。
三年前，當長征三號乙運載火箭將嫦娥四號送入近地點約205公里、遠地點40萬公里、傾角28.5°的地月轉移軌道後約6個小時就發生了燃料洩漏險情。葉培建院士披露，整個洩漏過程約20秒鐘，燃料洩漏量大概有20公斤。
嫦娥四號與長征三號乙“器箭分離”
燃料洩漏直接導致了兩個問題，後續登月任務使用的燃料還夠不夠？再就是更加迫在眉睫的難題，著陸器有4個燃料儲箱，一個儲箱燃料洩漏將導致探測器姿態失穩。
由於嫦娥四號著陸器在軌飛行時間短，並沒有配置用於姿態控制的動量輪，因此姿態控制完全依靠姿控發動機噴射，這會讓控制系統做出持續修正探測器姿態的操作，意味著將消耗更多燃料。
地月轉移
怎麼辦？辦法總是比問題多。
首先是透過儲箱單側供給方案解決姿態控制問題，再之後是取消7500N變推力發動機在軌推力標定環節，並重新設計一條節省燃料消耗的最佳化軌道，將月球捕獲軌道設計為近月點100公里、遠月點430公里。
進入繞月軌道
透過多個燃料節餘操作，最終確保了嫦娥四號在執行落月任務時有充足的燃料儲備，整個地月轉移與環月飛行階段沒有動用哪怕1克用於著陸器動力下降的燃料儲備。
當完成落月任務後發現著陸器還有3公斤的燃料節餘。（有人會說，多出這些燃料，不是恰恰證明設計不夠精準嗎？筆者請這些人想想，著陸器著陸過程的隨機情況千變萬化，如果沒有冗餘，當需要進行機動規避障礙物時沒有燃料怎麼辦？）
在月球背面持續進行原位探測的嫦娥四號著陸器
航天探索最重要的是什麼？是國力、是技術、是人才，但還有一點也非常重要，那就是“經驗”。
以嫦娥探月工程為例，每一次任務幾乎都是鑿空之旅，嫦娥一號突破繞月工程難題，而後進行環月遙感探測，併為嫦娥三號提前驗證部分登月控制技術；嫦娥二號突破地月直接轉移技術，持續深化月球遙感探測，繼而又奔赴日地拉格朗日L2點，之後又代表人類首次近距離探測了圖塔蒂斯小行星，緊接著持續邁向深空多個距離節點驗證深空測控網技術；嫦娥三號實現人類首次自主避障登月；嫦娥四號代表人類首登月球背面；嫦娥五號實現人類首次基於自主交會對接方案的月面取樣返回任務……
嫦娥二號拍攝的圖塔蒂斯小行星
正是有了這些實際工程任務的摔打磨練，我國航天才有了更加充足的準備以挑戰更多不可能的任務。例如，天問一號探測器一次發射就實現對數億公里外火星的繞落巡探測，這是人類以往地外天體探測任務中所從來沒有過的，該探測器就繼承並發展了大量來自嫦娥探月工程的貨架產品與技術。
祝融號火星車
目前，行星探測工程已經立項，它將與嫦娥探月工程後續任務齊頭並進，小行星探測、火星取樣返回、木星探測、嫦娥七號、嫦娥六號、嫦娥八號等等這些任務，都將在接下來的十年之內接續實施。我們不僅有星辰大海的夢想，更有實踐夢想的充足準備！
