嫦娥四号成功着陆月球背面，有什么看点和重要意义？

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2019 年 1 月 3 日上午 10 点 26 分，嫦娥四号成功在月球背面软着陆。
新华网消息：中国成功实现人类探测器首次月球背面软着陆-新华网




央视新闻报道

大家说的都很全了，我觉得对中国人来说，最重要意义其实一句话就能说清楚：
中国人，中国航天一直希望在太空探索领域做到一回“人类首次”的壮举，嫦娥四号实现了。

不要小瞧这个，人类首次是一项巨大的荣誉，当年美苏太空竞赛，争夺的就是各种首次。首次代表着一个国家的综合国力，科技实力，对一个民族的振奋作用不可小视。

但要做到首次太难了。首次意味着冒险，意味着创新，意味着牺牲。为什么我们对四大发明特别自豪，也是因为首次。拿航天来说，首次发射卫星，人类首次进去太空，首次太空行走，首次探测月球，首次登月，都是巨大的荣誉，但这些荣誉都属于别人。NASA的探测器已经把全部太阳系探测完毕，刚刚还首次飞到太阳系边缘的柯伊伯带。留给一直作为追赶者的中国航天的机会真的不多，后面印度等国家也都在努力，所幸的是嫦娥四号，中国航天牢牢抓住了这个机会。

2019年1月3日上午10:26，经过26天的飞行，嫦娥4号月球探测器顺利着陆在月球背面东经177.6°，南纬45.5°的预选着陆区中，成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器，并通过鹊桥中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。这是中国探月工程“绕、落、回”计划的第二阶段，也是继5年前的嫦娥3号任务成功完成之后我国深空探测史上的新篇章。
嫦娥4号任务包括一枚着陆器和巡视器（月球车）的组合体，以及一枚为着陆器/月球车与地球提供通讯的中继卫星“鹊桥”号。鹊桥号是人类首颗位于地月拉格朗日L2晕轨道（halo轨道）的通讯中继卫星，目的是为了解决着陆任务挑战月之背面的通讯难题，因此已在半年多前提前发射并于6月14日顺利抵达预定轨道。





嫦娥4号着陆器（上左）和月球车（上右）的模型。来源：航天科技集团

“鹊桥”工作示意图（下）。改编自：[1]

着陆之后的嫦娥4号会打开太阳能电池板，将天线指向中继星传回讯号，并于几个小时后释放月球车。我们即将再次看到着陆器和月球车历史性的两器互拍！

2013年12月15日，嫦娥3号落月6个小时后，着陆器的地形地貌相机和月球车玉兔的全景相机互拍
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（正式高清图稍后才会陆续放出，先用低清版想象一下吧）这是着陆器的降落相机拍的
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这是着陆器的监视相机C拍摄的着陆点南侧月球背面图像
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月球车将朝这个方向驶向月球表面。来源：CNSA/CLEP




嫦娥4号的奔月之路

2018年12月8日凌晨2:23，嫦娥4号发射升空，奔向约38万公里外的月球。

12月12日16时45分，经过约110小时的地月转移轨道后，嫦娥4号探测器成功实施近月制动，进入了近月点约100公里的环月轨道。

12月30日8时55分，嫦娥4号探测器在距月面平均高度约100公里的环月轨道上成功变轨，降轨进入近月点高度约15公里、远月点高度约100公里的环月轨道，顺利进入预定的月球背面着陆准备轨道[2]。

更多详情参见：
嫦娥4号中继星“鹊桥”发射成功：一桥飞架南北，天堑变通途
嫦娥4号发射成功：去往从未踏足过的地方，需要一点勇气

嫦娥4号的奔月之路是这样的（手机横屏观看）
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由于轨道准确，预定的三次轨道修正最终只执行了一次，第三次和第一次都取消了。修改自：航天科技集团

嫦娥4号如何着陆？着陆在哪里？

嫦娥4号的着陆点位于月球背面南极-艾特肯盆地（简称SPA）中的冯·卡门撞击坑（中心位于东经176.2°，南纬44.4°）内。不用多说，这个撞击坑是以航天工程学家、NASA喷气动力实验室（JPL）的创始人之一冯·卡门的名字命名的，他也是“中国航天之父”钱学森先生的博士导师。

嫦娥4号本次选择探访南极-艾特肯盆地，不仅仅是因为月之背面还没有着陆任务去过，还因为南极-艾特肯盆地本身就有重要的、不可替代的科学价值。直径约2400公里、形成于月球前酒海纪（39.2亿年前）的南极-艾特肯盆地深达12公里，是太阳系中目前已知的最大的撞击盆地之一，也是月球上最深、最古老的大型撞击盆地。因此，对南极-艾特肯盆地的实地考察，有助于帮助人类加深对南极-艾特肯盆地的形成、月球深处的成分，以及月球地质历史的理解。

然而，着陆南极-艾特肯盆地艰险异常。尽管鹊桥中继卫星解决了通讯难题，但不同于大片大片被月海玄武岩覆盖的平坦的正面，月球的背面崎岖坎坷，鲜有大片平坦的地方，被层层叠叠的撞击坑覆盖的南极-艾特肯盆地中也是如此——这里的起伏可以高达7公里，而且波动明显[3]。


冯·卡门撞击坑中因为有大片被月海玄武岩覆盖的区域，成了月球背面少有的平坦区域，这也是嫦娥4号选择在这里着陆的重要原因之一。当然，除了地形之外，这里的光照、测控等条件也是经过了检验，适合嫦娥4号顺利着陆和探测的。




冯·卡门撞击坑的位置和周围的几个撞击坑，黄色为本次嫦娥4号的着陆点，浅蓝色区域为月海玄武岩填充区域，这些区域非常平坦。来源：LROC WAC/haibaraemily

然而，即便找到了平坦的地方，嫦娥4号着陆的难度系数依然非常高，因为冯·卡门撞击坑的直径只有186公里——这意味着嫦娥4号必须落得飞常准。一旦偏了一点，就可能落不进平坦的区域，而是撞上崎岖的高山低谷了。

因此，嫦娥4号的着陆策略也做出了调整。虽然和嫦娥3号一样，自主着陆的嫦娥4号整个动力下降过程也分为6个阶段：主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。但不同于嫦娥3号的抛物轨迹下降，嫦娥4号选择进一步减小着陆位置的不确定性，以近乎垂直的方式着陆。




嫦娥3号（左）和嫦娥4号（右）的动力下降过程对比图。来源：[3]




嫦娥4号将要探测什么？

嫦娥4号此行主要有三大目标：

1、探测月球背面巡视区的地形地貌、矿物成分；
2、探测背面巡视区的浅表层结构；
3、利用月球背面得天独厚的射电天文环境展开低频射电天文观测。

要如何完成这些目标，当然是得看嫦娥4号带了些什么了。作为嫦娥3号的备份机，嫦娥4号不管是外形还是携带的科学仪器都很大程度上继承了嫦娥3号，带的仪器也有很大的相似性。




素材来源：CNSA

嫦娥4号和嫦娥3号一样携带了8个科学仪器，但根据实际探测目标和探测环境的变化对携带的科学仪器做出了新的调整[1]。




1降落相机（着陆器）

降落相机位于着陆器底部，大小116×100×70.4毫米，重约0.5公斤，硬件指标与嫦娥3号的着陆相机相同[4]。

降落相机的主要任务是在着陆器降落过程中获取不同时段不同高度处降落区域的地形地貌数据，因此会一直垂直指向月表。


由于降落相机只在降落过程中使用，所以它的工作时间非常短，只有几分钟。


2地形地貌相机（着陆器）

地形地貌相机位于着陆器顶部，大小92× 105× 118.9毫米，重约0.64公斤，可以拍摄可见光波段下的彩色影像，硬件指标与嫦娥3号的地形地貌相机相同[4]。

地形地貌相机的主要任务是拍摄月球表面和月球车的影像，可以拍摄着陆区周围360°的全景照片。




这是当年嫦娥3号的着陆器在2013年12月20日拍摄的全景照片拼接图，可以看到自己的太阳能板和一部分组件、远处的月球车玉兔，以及玉兔留下的车辙。来源：Chinese Academy of Sciences / Don Davis [5]

3低频射电频谱仪（着陆器）

低频射电频谱仪是嫦娥4号为了充分利用月球背面天然无干扰的射电天文环境而新搭载的仪器，任务是在月球背面进行太阳低频射电特征和月表射电环境的观测，填补0.1~40 MHz范围内的射电观测空白[1]。

3根5米长的低频射电频谱仪天线是为了分别接收电磁波信号的三个相互垂直的分量，这也是嫦娥4号着陆器与3号在外形上最显著的区别。




由于电离层的阻挡，波长10米以上的电磁波几乎完全无法穿透大气来到地球表面，想要对这类以及波长更长的低频电磁波进行观测，就必须离开地球大气层——月球背面就是一个极佳的观测场所。




地球大气的电磁波窗口。来源：维基


事实上，除了地球电离层的干扰，月球背面的低频射电观测还能有效屏蔽人类活动的干扰——10米以上在天文上是所谓的超长波（低频），但在人类社会活动看来却属于“短波”（“高频”）段，这可是民用无线电广播的主要频段。

另一方面，着陆器上搭载的低频射电频谱仪还会与鹊桥中继卫星上携带的荷兰研发的低频射电探测仪（NCLE）（0.1-80 MHz）协同观测，互为验证和补充。


4月表中子及辐射剂量探测仪[德]（着陆器）

与德国基尔大学合作研制，搭载在着陆器上。目标是测量月表包括带电粒子、γ射线和中子的综合粒子辐射剂量和LET谱，以及月表快中子能谱、热中子通量等参数，为未来载人登月的安全活动和月表综合粒子辐射模型修正提供数据支持。




两个盒子分别是月表中子及辐射剂量探测仪的传感头和电子单元。来源：[6]

5、全景相机（巡视器）

巡视器（月球车）上搭载了2台全景相机，大小90×110×120毫米，总重约0.69公斤。全景相机安装在月球车的桅杆上，可以实现对月球车沿途不同测区的360°彩色成像，还能通过2台相机对目标进行立体成像。




这是当年嫦娥3号的月球车玉兔在N205点拍摄的全景照片拼接图，可以看到自己的低频测月雷达天线、自己碾过的车辙，以及远处的着陆器。来源：[7]

6红外成像光谱仪（巡视器）

红外成像光谱仪位于月球车前侧，大小255×172×162毫米，重约4.69公斤，用于探测月球车沿途的月表矿物组成和分布，有可见光近红外（450-950纳米）和近红外短波红外（900-2400纳米）两个通道，硬件指标与嫦娥3号的红外光谱仪大致相同[4]。


7测月雷达（巡视器）

测月雷达的工作原理是通过主动发射和接收雷达信号来探测地下结构。嫦娥4号月球车上搭载的测月雷达目标是探测月球车沿途地下的浅表层结构，例如月壤厚度、月壳浅层结构等，帮助我们追溯巡视区所在区域的地质历史。




测月雷达的工作原理。来源：IECAS

嫦娥4号和3号一样，搭载了2个不同频率的测月雷达，目的是为了兼顾探测深度和探测分辨率：

低频测月雷达（第一通道）天线位于月球车后部，中心频率40~80 MHz，分辨率较低（米级），但可以探测较深的地下结构（≥100米）；

高频测月雷达（第二通道）天线位于月球车底部，中心频率250-750 MHz，分辨率较高（≤30厘米），但只能探测较浅的地下结构（≥30米）。




红色箭头所指的就是2根低频测月雷达天线，高频测月雷达是蝶形天线，安置在月球车底部。改编自：中国航天科技集团

8、中性原子探测仪[瑞典]（巡视器）

与瑞典空间物理研究所合作研制，搭载在月球车上。目标是测量月球车沿途0.01-10 keV能量范围内的能量中性原子和正离子。这将是人类首次在月球表面进行中性原子探测。




嫦娥4号月球车搭载的中性原子探测仪。来源：IRF

可以看出：
嫦娥4号在嫦娥3号的基础上保留下来的仪器们主要用于拍摄着陆过程和着陆区附近的地形地貌（降落相机、地形地貌相机、全景相机）、探测矿物成分（红外成像光谱仪）和浅表层结构（测月雷达）；
而替换的新仪器们（低频射电频谱仪、月表中子及辐射剂量探测器、中性原子探测器）则侧重于利用月球背面得天独厚的天文环境进行探索性观测。
绝对是因地制宜了。
嫦娥4号的着陆器和月球车的设计寿命分别为6个月和3个月，所以在接下来的半年里，我们可以期待嫦娥4号带来更多惊喜~

致谢：
本文感谢澳门科技发展基金（FDCT 0042/2018/A2）的支持

嫦娥终于“落月”了！根据官方消息，北京时间 2019 年 1 月 3 日上午 10 点 26分，嫦娥四号月球探测器在经过 26 天的等待之后，终于着陆在了月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内，实现人类探测器首次在月球背面软着陆，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。中国航天也因此在 2019 刚开年就摘下了一枚含金量极高的“金牌”。


（来源：新华网）

嫦娥四号的备份转正之路


2018 年 12 月 8 日凌晨 2 时 23 分，中国长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空，成功将嫦娥四号探测器送上太空。在 12 月 30 日 8 时 56 分，嫦娥四号探测器在环月轨道成功实施变轨控制，由距月面平均高度约 100 公里的环月轨道，成功实施降轨控制，进入近月点高度约 15 公里、远月点高度约 100 公里的环月轨道。不过，这里有一点值得注意的是，嫦娥四号如此大费周章准备的“首次月球背面软着陆”任务并非在嫦娥工程立项之初就计划在内，而是随着嫦娥三号任务的推进状况而变化。


图丨“嫦娥四号”升空（来源：中国探月工程）

2013 年 12 月 14 日嫦娥三号带着中国的第一艘月球车——“玉兔号”成功软着陆于月球雨海西北部（虹湾着陆区），表明其既定的“落月”任务目标已经达成，所以作为嫦娥三号备份的嫦娥四号便被赋予了一项新的使命，也就是今天的月背软着陆。

在这种任务转换中，嫦娥四号的科学目标已经从嫦娥三号任务的月球形貌与地质构造调查、月表物质成分和可利用资源调查以及进行月球内部的结构研究和日-地-月空间环境探测与月基天文观测转向了实现月基低频射电天文观测、月球背面巡视区形貌和月球背面巡视区浅层结构探测等。

工程目标也从嫦娥三号的突破月面软着陆、月面巡视勘察、研制月面软着陆探测器和巡视探测器、建立地面深空站、建立月球探测航天工程基本体系和形成重大项目实施的科学有效的工程方法上升到了人类首次实现月球背面软着陆和巡视勘察以及首次实现地月 L2 点中继星对地对月的测控、数据传输中继。


图丨 嫦娥四号探测器巡视器（左）、着陆器（右）、中继星“鹊桥”（上）示意（来源：中国航天科技集团）

为了使嫦娥四号更加适应执行月背任务，科研人员对嫦娥四号进行了全面的升级。例如，在载荷方面，嫦娥四号与嫦娥三号携带的装备大为不同。嫦娥三号携带的有效载荷大致可以分为三类：第一类是用来观察月球的, 主要设备包括全景相机、地形地貌相机、测月雷达等；第二类是用来观测宇宙的, 主要由月基光学望远镜承担；第三类是用作观察地球周围的等离子层。

而因为嫦娥四号降落的月球背面可屏蔽地球无线电干扰，对于不少科学研究来说具有天然的优势，所以科研人员将之前的观测载荷都调整为科学载荷。此外，嫦娥四号还承担了众多国际合作任务，搭载了诸如荷兰低射频电探测仪、德国月表中子与辐射剂量探测仪、瑞典中性原子探测仪和沙特月球小型光学成像探测仪等 4 台国际合作科学载荷。

造访“月之暗面”


对于月球这颗地球唯一的卫星，人类已经探索 60 余年，甚至在 1969 年至 1972 年期间，著名的“阿波罗工程”还先后将 12 位宇航员送上月球表面。但地球和月球之间因为潮汐锁定，导致仅有 10% 至 20% 的月球背面的边缘地带可以从地球上看到，所以直到 1950 年代晚期，我们对月球背面认识依然很少，也因此其被冠以“月之暗面”名字。
从上世纪 50 年代开始，人类向月球发射了 100 多次探测器，1959 年苏联月球 3 号拍下了人类首张月球背面照片，1962 年 4 月 26 日，美国“徘徊者 4 号”成为首个在月球背面硬着陆的探测器，但并未传回任何数据。


图丨月球 3 号传回的首张月球照片（来源：Wikipedia）

2010年 12 月 21 日，NASA 的“月球勘测轨道器”还拍摄了一组细节精细程度前所未有的月球背面照片，据此绘制的月背地形图直观地揭示了月球背面的地形。但由于探测器在月球背面无法直接实现与地球的测控通信和数据传输，所以迄今为止还没有宇航员或月球车登上月球的背面。

为了解决这个问题，今年 5 月 21 日，连通地月的中继卫星“鹊桥”发射成功，随后于 5 月 25 日，探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”中继星成功实施近月制动，进入月球至地月拉格朗日 L2 点的转移轨道。6 月 14 日，探月工程嫦娥四号任务“鹊桥”中继星成功实施轨道捕获控制，进入环绕距月球约 6.5 万公里的地月拉格朗日 L2 点的 Halo 使命轨道，成为世界首颗运行在地月 L2 点 Halo 轨道的卫星。“鹊桥”承担两大任务：一是遥测与遥控航天器，二是负责地球和嫦娥四号之间的信号传输。


图丨中继卫星“鹊桥”（来源：中国探月工程）

此次嫦娥四号软着陆的月球背面南极-艾特肯盆地是一片“处女地”，之前没有任何探测器曾经到访过。而接下来嫦娥四号还会派巡视器去勘探这里的冯·卡门陨石坑。这个直径达 180 公里的陨石坑被认为是月球最古老的撞击特征。这一次勘探会为我们了解月球、地球、太阳系的演化提供第一手数据和线索，也会丰富之后计划发射的“嫦娥五号”数据样本库。


图丨南极-艾特肯盆地（来源：Wikipedia）

除了勘探任务，着陆器此次还会进行第一次月球暗面低频射电天文学实验；开展观察植物是否会在月球低重力环境中生长的调查；有望探测出国际上第一幅月背剖面图；探测月球两极是否存在水资源和其他相应资源等等。

当然，为了能够适应月球背面更为复杂的环境，嫦娥四号也进行了重大的升级，例如，相较于前辈嫦娥三号以弧形轨迹缓慢着陆，嫦娥四号需要采取近乎垂直的降落方式。为此，着陆器具备很高的自主导航和避障功能。


图丨嫦娥四号着陆器（来源：中国探月工程）

嫦娥四号此次还携带了一辆重量仅为 140 公斤的世界上最小的月球车巡视器。与“玉兔号”所不同的是，嫦娥四号月球车在昼夜温差可达 300℃左右的月夜也要开展工作，为了避免裸露在外的电缆出现故障，科研人员在电缆摩擦方面进行了上千次实验。



图丨嫦娥四号月球车巡视器（来源：中国探月工程）

另外在能源供给方式上，嫦娥四号采取新的能源供给方式——同位素温差发电与热电综合利用技术结合，也就是两面太阳翼收集的太阳能和月球车上的同位素热源两种能源供给。当月夜来临，同位素热源将为仪器设备供热，保证航天器在-180℃的环境中不受低温影响。

回顾嫦娥工程


中国对于月球探测的论证始于 1999 年，当年，国防科工委组织有关部门系统地论证了月球探测的科学目标，2000 年，中国科学院通过了对科学目标的评审，并据此科学目标开始研制有效载荷。从 2002 年起，国防科工委组织科学家和工程技术人员研究月球探测工程的技术方案。经过两年多的努力，深化了科学目标及其实施途径，落实了探月工程的技术方案。
2004 年 1 月，国务院批准绕月探测工程立项，命名为嫦娥工程。根据方案规划，嫦娥工程将分阶段实施“绕”、“落”、“回”的探月三期工程，最终在 2020 年左右实现全部探月工程，为后续的“登月”和“驻月”活动开辟道路。

• “绕月”
  

一期工程实现绕月探测，由嫦娥一号任务组成。于 2007 年 10 月 24 日成功发射，嫦娥一号卫星经地球调相轨道进入地月转移轨道，实现月球捕获后，在 200 公里圆轨道开展绕月探测。


图丨探月工程一期嫦娥一号轨道示意（来源：中国探月工程）

该项目使得我国初步掌握绕月探测基本技术、首次开展月球科学探测、初步构建月球探测航天工程系统、为月球探测后续工程积累经验。

任务期间，8 台科学载荷开展了有效的探测，开展全局性、普查性的月球遥感探测。任务取得圆满成功后，于 2009 年 3 月 1 日嫦娥一号卫星受控撞月。

• “落月”
  

二期工程实现月球软着陆和月面巡视勘察等，由嫦娥二号、三号、四号任务组成。
二期工程先导星嫦娥二号，于 2010 年 10 月 1 日成功发射，直接进入地月转移轨道，实现月球捕获后，在 100 公里圆轨道，7 种科学载荷开展了多项科学探测，并为后续嫦娥三号任务验证了部分关键技术。


图丨探月工程二期嫦娥二号轨道示意（来源：中国探月工程）

2011 年 6 月 9 日，嫦娥二号完成预定各项探测任务后，飞离月球轨道，经过 77 天飞行，嫦娥二号在世界上首次实现从月球轨道出发，受控准确进入日地拉格朗日 L2 点的环绕轨道，开展了日地拉格朗日 L2 点探测和图塔蒂斯小行星飞越探测等多项拓展试验，成为了绕太阳飞行的人造小行星，预计 2029 年将再次飞回地球附近 700 万公里处。我国也成为世界上继欧空局和美国之后第三个造访 L2 点的国家和组织。

作为嫦娥三号月球软着陆项目的先导，嫦娥二号验证了多项关键技术，包括突破直接进入奔月轨道的弹道设计技术、运载火箭低温三子级滑行时间可调技术，利用 CZ-3C 运载火箭将卫星直接送入地月转移轨道，降低二期工程后续任务的实施风险。

在嫦娥二号卫星上搭载 X 频段应答机，与我国 X 频段地面测控设备配合，验证 X 频段测控体制，为嫦娥三号任务积累工程经验。

通过选择与嫦娥三号任务相似的奔月、月球捕获轨道，通过实际飞行掌握直接奔月和 100km 近月捕获技术，为嫦娥三号任务探索技术途径；嫦娥二号卫星在 100km 轨道长时间运行，探测 100km 轨道空间环境，积累更多的近月空间环境数据，提高月球探测热红外分析模型的准确性。

另外，嫦娥二号开展 100km×15km 轨道机动试验，验证嫦娥三号任务着陆前在不可见弧段变轨的星地协同程序；在 100km×15km 轨道飞行期间，验证 100km×15km 轨道快速测定轨能力，这些测定轨数据对深入研究月球重力场分布，提高重力场模型精度有重要意义。

配置降落相机，校验其对月成像能力；试验强纠错能力的 LDPC 信道编译码技术，提高卫星遥测链路性能，为探月工程和其他深空探测项目提供技术储备；将卫星数传码速率提高至 6Mbit/s，试验 12 Mbit/s，以期满足数据传输量增大的需求。

在 100km×15km 轨道，CCD 立体相机在 15km 近月点处对嫦娥三号任务预选着陆区进行优于 1.5m 分辨率成像试验；在 100km 圆轨道，对预选着陆区进行优于 10m 分辨率成像。利用预案着陆区月表图像，绘制三维地形图，有利于定量评估预选着陆区的特性，提高嫦娥三号任务着陆安全性。


图丨嫦娥二号（来源：中国探月工程）

除了为后续探测器提供技术的验证之外，嫦娥二号也完成了其既定的工程目标，包括利用 CCD 立体相机获取高分辨率的月球表面三维影像，结合激光高度计获取的月表地形高程数据，可获取月球表面高精度地形数据，为后续着陆区优选提供依据，同时为划分月球表面的地貌单元精细结构、断裂和环形构造，提供原始资料。

利用经技术改进的γ射线谱仪和 X 射线谱仪，探测月球表面 9 种元素——硅、镁、铝、钙、钛、钾、钍、铀的含量与分布特征，获得更高空间分辨率和探测精度的元素分布图。

利用微波探测技术，测量月球表面的微波辐射特征，获取 3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz、37GHz 的微波辐射亮度温度数据，估算月壤厚度。

嫦娥二号卫星在轨运行期间正是太阳活动高峰年，是探测研究太阳高能粒子事件、CME、太阳风，及它们对月球环境影响的最佳探测时期。利用太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器，获取行星际太阳高能粒子与太阳风离子的通量、成分、能谱及其随时空变化的特征，可研究太阳活动与地月空间及近月空间环境的相互作用；获取地月空间环境数据，可为后续探月工程提供环境科学数据。

嫦娥三号是二期工程的主任务，于 2013 年 12 月 2 日发射，完成地月转移、绕月飞行和动力下降后，2013 年 12 月 14 日中国的第一艘月球车——“玉兔号”成功软着陆于月球雨海西北部（“虹湾着陆区”），巡视器成功驶离着陆器并互拍成像，实现中国航天器首次地外天体软着陆与巡视勘察。


图丨探月工程二期嫦娥三号轨道示意（来源：中国探月工程）

探测器采用钚一 238 同位素热源、两相流体回路供热，携带的 8 台科学仪器，开展了多项科学探测与巡视勘察，获得大量科学探测数据，实现了预定科学目标。

2016 年 8 月 4 日，在超负荷工作 19 个月之后，嫦娥三号探测器正式退役，停止了长达 31 个月的工作，同时也创造了迄今为止人类探测器月面工作时间的最长记录。


图丨嫦娥三号月面巡视器和着陆互拍（来源：中国探月工程）

• “返回”
  

三期工程将实现月面自动采样返回，并开展月球样品地面分析研究。由嫦娥五号任务组成。作为中国探月工程的收官之作，嫦娥五号主要科学目标包括对着陆区的现场调查和分析，以及月球样品返回地球以后的分析与研究，预计将在今年下半年发射。


图丨探月工程三期嫦娥五号轨道示意（来源：中国探月工程）

当然，月球也仅仅是中国深空探测的一小步，接下来，嫦娥六号或将开启月球“探登驻”的第二个阶段，为建立月球长期基地探路。此外，根据国防科工局系统工程司副司长赵坚在第九届中国国际航空航天高峰论坛上所透露的消息，中国已计划于 2020 年左右实施首次火星探测任务，2021 年实现火星着陆，中国空间技术研究院正在研制的火星探测器。再过十年，更加遥远的小行星、火星取样返回以及木星探测等深空探索任务也都有希望实现。

祝贺！


2019年1月3日10时26分, 嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区，并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱。此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信，开启了人类月球探测新篇章。
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2019年1月3日10时26分成功着陆月球背面，随即着陆器与巡视器分离，22点22分月球车到达月面，开始就位探测和巡视探测。


图为嫦娥四号巡视器（玉兔二号）车轮！
人类首次月球背面软着陆和巡视勘察

在过去的半个多世纪里，人类已经发射了100多个月球探测器，其中有65个月球着陆器，但仅有不载人的环月轨道器和载人的阿波罗号看到过月球背面，之前没有任何一个月球探测器能够实现在月球背面着陆，之前得到的有关月球背面信息，都是通过遥感探测和所拍照片而获得的。
嫦娥四号拍摄的首张月球背面图片来啦！



2019年1月3日11时40分，嫦娥四号着陆器获取了月背影像图并传回地面。这是人类探测器首次在月球背面拍摄的图片，第一次揭开古老月背的神秘面纱。
嫦娥四号任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信，开启了人类月球探测新篇章。


月球背面的第一张影像，由前苏联的月球3号探测器在1959年拍摄。（图片来源：NASA）
2013年12月，“嫦娥三号”成功降落在月球正面雨海北部区域，实现了我国航天器在地外天体的软着陆，通过月球车实现了月面行走。
作为嫦娥三号探测器的“备份星”，嫦娥四号在设计、制造和性能上，都与嫦娥三号基本相同。刚开始很多专家都认为嫦娥四号还是落到月球正面，觉得这样比较牢靠，技术风险小，不要节外生枝了。但是嫦娥一号总指挥兼总设计师、“嫦娥”系列月球探测器总指挥兼总设计师顾问叶培健院士主张落到月球背面。


“嫦娥”系列月球探测器总指挥兼总设计师顾问叶培健院士。（图片来源：人民网）


嫦娥三号探测器着陆位置。（图片来源：@航天面面观）
叶院士认为，落到月球背面，如果成功了是一大亮点；如果不成功，因为这是人类第一次，也可以原谅。正面我们已经去过了，轻车熟路，基本没什么风险，但凭借着敢创新、敢冒险的精神，提出了着陆在月球背面的方案，经过深入论证和多方案反复比较，最终决定，让嫦娥四号着陆在月球背面！


嫦娥四号预着陆区（45°S-46°S, 176.4°E-178.8°E）初步选定为月球背面南极-艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑内。（图片来源：《深空探测学报》）
选择月球背面南极艾特肯盆地着陆，因为这里是国际关注的热点，被科学家认为最有可能出科研成果的地方。这里被认为是太阳系内最大、最古老的撞击坑，保存了原始月壳的岩石，具有极高的科学研究价值。艾特肯盆地是太阳系中已知的最大撞击构造，是回答关于月球的几个重要问题的关键区域。
嫦娥四号探测器最终着陆的这个地点在哪呢？看了下面几张图就明白了！






祝贺！
刚才，我去寻找了嫦娥四号更加精确的着陆位置！

所用地图为嫦娥二号7米分辨率全月球影像图！

请看：


















由于目前还没有公布更多关于嫦娥四号动力下降段的影像，所以我目前也只能确定一个小的范围，那里坑太多了，看得眼花。
<hr/>因为要在月球上软着陆，嫦娥四号着陆器有“四条腿”，设计师们为其量身定制了一个高支架，使其能稳稳当当地“坐”在火箭上。


嫦娥四号的“行囊”
38万公里的非凡旅程，为了降落到月球背面开展研究，航天科技人员不知耗费了多少心血。我们要去月球背面探索未知、获得第一手科研数据以供科学家们分析研究、发表论文。
而获得第一手科研数据、实现科学目标最直接的工具就是有效载荷（有效载荷是指航天器上装载的为直接实现航天器在轨运行要完成的特定任务的仪器、设备、人员、试验生物及试件等。），根据任务特点及科学目标，科学家们会研制不同仪器设备，嫦娥四号的科学探测任务包括利用月球背面的有利条件开展低频射电天文观测、着陆区地质特征、粒子辐射环境探测、巡视区月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和资源勘察、月球次表层结构探测。根据这些科学探测任务目标，嫦娥四号将配置什么载荷呢？


（图片来源：@航天面面观）
嫦娥四号探测器由着陆器、巡视器和中继星组成。为嫦娥四号着陆器、巡视器登陆月球背面架设通信桥梁的“鹊桥”号中继星已经于2018年5月21日成功发射，顺利进入使命轨道运行。接下来我们聊聊嫦娥四号着陆器和巡视器（月球车）的有效载荷配置情况。
与嫦娥三号类似，嫦娥四号的着陆器上仍装有降落相机、地形地貌相机；巡视器上的全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪都被保留；新增载荷则包括，着陆器上，有德国基尔大学的月球中子及辐射剂量探测仪；还有低频射电频谱仪；巡视器上，增加了和瑞典合作的中性原子探测仪；同时也去掉了一些载荷，包括着陆器上的月基光学望远镜、极紫外相机；巡视器上的粒子激发X射线谱仪


（图片来源：新华社）
咦？嫦娥四号着陆器上面咋有三根大天线？这就是上面提到的“低频射电频谱仪”，由中科院相关单位研制。月球背面是天文界公认的观测低频射电天文的最佳场所。在月球背面布设低频天线开展0.1-40MHz的低频射电天文观测，将进一步开创天文观测的新领域，将有机会发现宇宙天体演化中的新现象、新规律。
预计在2019年3月左右，嫦娥四号将释放3根5米长的接收天线，每根天线都与其他天线成直角。在月球背面开展低频射电探测。



嫦娥四号巡视器（月球车）模型。基本继承了“玉兔号”的外形和状态，呈长方形盒状，总重量约140公斤，长1.5米，宽1米，高1.1米。
除了国际合作载荷外，值得一提的是，国内高校也加入了载荷研制队伍。2016年9月20日，为期近10个月的“月球探测载荷创意设计征集活动”在北京落下帷幕。来自中科院地质与地球物理所和西安光机所团队设计的“CCD图像传感器月尘探测仪”、浙江大学团队设计的“月卫立方星”、重庆大学团队设计的“月球卫星循环生态系统”等三项创意设计获得一等奖。
此次将登陆月球背面的就是其中的一个创意设计，由教育部深空探测中心牵头、依托重庆大学联合28所大学研发的生物科普试验载荷将一个小型生物圈送上月球，开展相关科学研究。这次实验虽然需要克服诸多困难，但意义深远，它将成为人类首次月面生物实验，对人类未来在地外星球生存具有重大意义。


科普载荷“月面微型生态圈”初样件。（图片来源：重庆大学）
“月面微型生态圈”是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形“罐子”，高18厘米，直径16厘米，净容积约0.8升，总重量3公斤。小“罐子”里乾坤大，里面将放置马铃薯种子、拟南芥种子、果蝇、土壤、水、空气以及照相机和信息传输系统等科研设备。
此次月面生物实验的目标是在月球表面实现动植物的一个生命周期。根据100天的实验期限，科学家选定了马铃薯、拟南芥和果蝇。这两种植物将生根发芽，开出月球表面第一朵花。同时，马铃薯还可作为人类太空生存食物来源，其实验价值更加重大。
再过几个月，月球将迎来绿色、迎来希望！期待开出月球表面第一朵花！
“月面微型生态圈”科普载荷，可以说是小“罐子”里乾坤大，期待早日看到月球上的第一朵花！
为避免出现“玉兔号”月球车故障，月球车升级！
着陆器巡视器组合体落月后，巡视器，也就是月球车将通过转移机构驶离着陆器到达月球表面。
2013年12月，玉兔号月球车行驶到月面后，它的一举一动都牵动着38万公里外那个蓝色星球上人们的心，
2014年初，玉兔号在进入第二个月夜之前，就出现了故障，故障始终未能排除，导致玉兔号月球车不能继续行进。


玉兔号月球车最终在月球上只累积行驶了约114.8m。（图片来源：中国探月工程网站）
从上图中可以看到，规划好的路径无法实现行驶探测了。非常遗憾！按原计划，玉兔号月球车将在月球表面行驶10公里。


嫦娥四号月球车。（图片来源：互联网）
在温差达300摄氏度的月球表面，裸露在外的电缆极易出现故障，如今科研人员吸取这一教训，对电缆进行了最小化的裸露改进，还针对钩挂、摩擦等应用场景做了上千次试验，提升了月球车整体可靠性。据了解，嫦娥三号着陆器和月球车设计寿命分别为1年和3个月，但实际上着陆器目前仍在运行，如今的嫦娥四号月球车设计寿命也是3个月，运行时间预计将比玉兔号更长。
嫦娥三号月球车“玉兔号”在月面累积行驶了114.8米遗憾告终，嫦娥四号月球车将会行驶多远呢？拭目以待吧！


嫦娥四号月球车加油啊！向榜样学习！
嫦娥四号月球车周身银光闪闪，耀眼夺目。实际上它外面包裹的这一层“白银圣衣”是为了反射月球白昼的强光，降低昼夜温差，同时阻挡宇宙中各种高能粒子的辐射，来支持和保护月球车搭载的多套科学探测仪器。


探月工程嫦娥四号任务月球车全球征名活动启动仪式在北京举行。图为中国工程院院士、探月工程总设计师吴伟仁介绍嫦娥四号任务月球车的相关情况。1:1比例模型。真实的月球车就这么大。新华社记者 肖磊涛 摄
据了解，月球车采用的是在月昼时工作、月夜时休眠的作息模式。在经历了月夜期间极低的温度后，可伸缩的太阳能电池帆板会在夜晚的时候自动收起来，搭成一个小房子的样子，将仪器设备都包在里面。从而保护各种仪器不会被冻坏，确保月球车有剩余电力自动苏醒。
为了保证仪器设备在月夜零下180℃的环境中不被冻坏，月球车还配置了同位素热源，为仪器设备供热。
嫦娥四号月球车有名字了！玉兔二号！


终于有名字了，哈哈！


月球背面，我们来了！
有关任务的最新进展，“航天面面观”将持续关注。获取最新消息请关注新浪微博@航天面面观
更多精彩，敬请期待！

2018年12月8日2时23分，中国嫦娥四号探测器从西昌卫星发射中心成功起飞，开始踏上奔向月球的旅程！
根据新华社消息，2019年1月3日10时26分，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门环形山/撞击坑内，实现人类探测器首次在月球背面软着陆。


发射成功现场（图源：我们的太空微博）

        它对中国探月、乃至整个人类探月，到底有多大意义？本文十大看点为你全方位解读。

看点一：为什么选择探测月球背后？

        地球上每天都有无数人举头望明月，对着它发出各式各样的感慨。但极少有人意识到，从他们第一次看到月亮至今，除了月亮“形状”（月相）的变化，月球表面的“图案”其实从来没变过，甚至最早人类远祖古猿看到的月亮和今人并无区别。


动图：NASA的深空天气探测卫星在150万千米外日地拉格朗日点“定点”观察而来的月球掠过地球，可以明显看到月球只有一面对着地球（图源：NASA）

        道理很简单：
通过亿万年的努力，巨大的地球把月球牢牢得实现了潮汐锁定，使它围绕地球一圈的公转周期完全等于自身转动。从地球上就只能看到当初它被固定朝向地球的一面。虽然由于月球天平动和视差现象可以瞥见一小部分背面，但绝大部分都是看不到的。我们称之为“月球背面”，在一些文艺作品中，还被艺术得称为“月之暗面”。需要注意的是，月球背面也能被太阳照到，并不“暗”，只不过人类看不到而已。

看点二：“我选择着陆月球背后，不是因为它简单，而是因为它更难”

        人类月球探测、甚至人类航天的巅峰就是大名鼎鼎的阿波罗登月工程，它留下了载入史册的三句话：
        肯尼迪总统说过两句：“我们要在这个十年结束前，把宇航员送上月球，再安全送回来”，“我们选择登月，不是因为它简单，而是因为它很难”。
经过无数航天人的努力，终于在1969年7月20日，由阿姆斯特朗说出了最著名的那一句：“这是我的一小步，却是全人类的一大步”。


到中国嫦娥三号时，人类已经在月球正面有过20个着陆器，然而背面为0（图源：Wikipedia）

        但是，所有的阿波罗载人任务、甚至苏联和美国的其他无人着陆月球任务都集中在月球正面，对这里人类已经了解得非常多。现在，不仅顶级科学家可以每天用激光精确监测地月距离和表面情况，普通天文爱好者也可以用望远镜了解月球正面的每一个月海、每一座环形山。阿波罗计划甚至送了12名宇航员登陆月球正面、还带回了382千克的单体样本。
之所以一直探测正面、在正面着陆，却从不去背面，一个重要原因就是背面着陆的难度大大难于正面。
        因为苏美太空竞赛的走向逐渐变成“耗资不菲但收获有限”，二者先后放弃了月球探测。也给人类的月球探测留下了一个大挑战：谁能成功着陆月球背面？我们要因为难，就不去了吗？
        嫦娥四号做出了回答：“我选择着陆月球背后，不是因为它简单，而是因为它更难”。

看点三：月球背后探测会给科研界带来什么？

        直接划重点：

• 月球背面几乎全是环形山/撞击坑（97.5%），比正面多得多（69%），形成原因和目前的情况只有理论解释，缺乏实地验证；
  
• 月球背面南极-艾特肯盆地，是太阳系第二大超级陨石坑，早在1998年，NASA的月球勘探者号就发现这里存在水冰，而且更接近月球最原始的情况；
  
• 嫦娥四号实际着陆地点位于该区域中部的冯·卡门环形山，它以钱学森的恩师的名字命名。这里经过了强烈碰撞，极可能曾经被熔岩淹没，各类物质含量丰富，或许留有月幔最原始的成分，保留了月球最深层的秘密；
  
• “月球上氦三能量开发可供人类能源需求XX万/亿年”的说法，相信大家已经看过很多了，而理论上月球背面环境更容易产生氦三；
  
• 月球背面有天然的“屏蔽”，没有任何来自地球的辐射干扰，这意味着它有着无比完美的安静环境做天文观测；
  
• 月球背面的月壤也极有可能与正面大不相同。
  

月球正面（左）和月球背面（右）看起来截然不同（图源：NASA）

以上，基本意味着第一个实现月球背面着陆的探测器将会收获众多独特的科研成果，对世界航天和天文界都将是巨大的贡献。

看点四：月球挡住了，信号咋办？

        既然月球挡住了背面，就要布置一颗信号中继卫星，为着陆器做准备和全程信号支持。从上个世纪六十年代开始，NASA就一直在提设想、论证，但从未实践过。目前，中国已经完成了这一任务：早在2018年5月份，就成功部署了“鹊桥号”中继卫星，在月球背后6.5万公里之外的地月拉格朗日二点附近Halo轨道簇上运行


鹊桥号中继星与地球、月球的轨道关系（图源：吴伟仁等）

        这是人类历史上首个月球信号中继卫星，架起了地球和月球背后的“鹊桥”，它将全程见证嫦娥四号的探测过程，也将负责嫦娥四号的全程通信。

看点五：着陆区域到底有多复杂？

        月球背面陨石坑密布、尤其南极-艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂，对各种配合着陆传感器的系统要求很高。尤其是高度方面的变化速度超过了以往任何一次着陆，最大落差高达16.1千米。冯·卡门环形山属于其中一块核心区域，对嫦娥四号而言，相当于翻越崇山峻岭来找它。
        如果把此前探测器在月球正面的着陆情形描述为小船轻轻划过湖面，嫦娥四号在月球背面的着陆就好比在风暴洋中冲浪，难度不可同日而语。


南极-艾特肯盆地的地形图复杂程度远超其他地方，图中标注处即冯·卡门环形山（图修改自：Garrick-Bethell and Zuber）

        为了成功着陆并释放月球车探测，所克服的难度和意义可想而知。

看点六：为什么四天就到月球，还迟迟不着陆？

        嫦娥四号早在12月8日就出发，使用了我国目前深空探测的最强火箭长三乙改III型。3.8吨重的它仅花了4天14时16分就完成了发射、轨道校正、近月制动、进入工作轨道，是四次主要任务中最短的一个。但依然等到了2019年1月3日才进行着陆任务。
        为什么需要这么长的时间呢？
        是为了等待时机。
月球被潮汐锁定，自转与公转相同，导致它的一天就是一年，一半是黑夜一半是白天。换做地球时间就是近14天交替的白天黑夜。在进入月球轨道后，嫦娥四号一边测试仪器，一边等待月球进入白天，毕竟它的主要能量来源是太阳能。


光线照射形成的影子，也是着陆时判断地形的重要图像参考（图源：NASA）

        另一方面，由于降落地点处于南极附近，它需要逐渐调整轨道倾角才能经过这里，比较耗时。同时，也要等待太阳光照在月球的角度达到理想的状态，这样所有的地貌都会有比较清晰的阴影，最大程度辅助光学设备选择并定位着陆地点。
        网上有说法是，阿波罗登月的选择时间参考了中国的传统历法——农历，某种程度上，这个说法挺有道理，因为农历与月相一致，月相又说明了月球上太阳光照情况。这是登月设备的重要参考。

看点七：嫦娥四号着陆怎么“走位”？

        由于降落的难度大大增加，嫦娥四号的着陆方式也将作出改动。由于着陆地的独特地貌特点，它的避障需求远高于其他着陆任务。



嫦娥三号和四号动力下降过程对比（图源：李飞等）

        可以看出，在进入准备阶段后，嫦娥四号的轨迹不降反升，而后进入一个几乎要实现长距离垂直下降过程，期间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程，难度极大。这么一个复杂的“走位”，对自主导航制导与控制要求极高。

看点八：嫦娥四号的能量怎么来？

        采用太阳能电池板和充电电池组合，是很多月球探测器的基本配备。在（月球）白天，月球上太阳能极其充沛，太阳能电池板充电，剩余电能储蓄下来，所有系统正常工作。晚上能量不足，只能冬眠或降低工作强度。我国的嫦娥三号和玉兔号任务，以及苏联、美国诸多无人探测器，大都采用这个方案。


2013年12月2日发射的嫦娥三号和玉兔号月球车，它们能量主要依靠太阳能电池板（图源：中国航天科技集团）

        为应对夜晚过低的温度，探测器还需要携带放射性同位素元素钚-238，它的半衰期长达88年，会源源不断释放热量，做保温用，嫦娥三号即是如此。与此同时，它的热量也可以收集起来用以发电，这就是大名鼎鼎的“核电池”，太阳系的五个使者：先锋十号、先锋十一号、旅行者一号、旅行者二号、新视野号，皆是依靠它实现了深空之旅。
        而在嫦娥四号上，中国将首次实验自己的“核电池”技术。尽管它不是最主要的能量来源，但这个突破已经意义重大。

看点九：逆袭的备份！

        嫦娥四号原本是嫦娥三号的备份版本，但毫无疑问，目前它的科学和工程目标都大大超出了前者。在嫦娥四号动力下降过程中，它需要鹊桥号配合完成全部动作，这就要求对星上传感器和核心降落辅助设备进行全新升级。


月面微型生态圈，带有马铃薯、蚕、拟南芥和生命支撑系统（图源：重庆大学）

        基于过往经验，嫦娥四号对月球车进行了一定改进，以期延长使用寿命，扩大科研成果。太阳能帆板系统也升级为高效三结砷化镓材料，能量来源更强劲。对嫦娥三号已有的测月雷达等设备进行升级。
        此外，在科学仪器上，为充分利用月球背后的“干净”天文观测条件，它新增了探测中子及辐射剂量、低频射电和中性原子等一系列设备。除了科研，它还携带了一个以科普为主要目标的月面微型生态圈，里面有几种生物，也是人类首次进行月面生物实验。

看点十：国际合作大突破

        嫦娥探月工程作为中国最具标志性大型科学研究项目之一，在扩展中国航天国际影响力、甚至直接促进国际合作方面的意义对我国而言是无可取代的，而嫦娥四号任务（本质上鹊桥号中继卫星也属于嫦娥四号任务的一部分）更是为中国航天迈出了突破性的一步。


嫦娥四号任务的火箭整流罩上有众多国际机构，可以看出这是个高度国际化的任务（图源：中国航天科技集团）

        在科学方面，低射频电探测仪是与荷兰合作，月表中子与辐射剂量探测仪是与德国合作，中性原子探测仪是和瑞典合作，月球小型光学成像探测仪是与沙特合作。
        在任务成功后，嫦娥四号收集来的一手科研数据将会对外全部公开，欢迎全世界科学家共同研究。一言以蔽之：嫦娥工程是近些年中国航天在国际上最大的一张名片，造成广泛影响的同时，也在行业内外得到了很多关注，是我国航天对外开放吸引合作的最佳平台。

        因而，眼前的嫦娥四号，不仅是中国的，更是全世界的。它的科学和工程意义，对整个人类而言都是重大突破。


主要参考文献：

• 文中的“吴伟仁等”指来自此期刊文章：吴伟仁，王琼，唐玉华，等. “嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报，2017， 4(2):111-117.
  
• 文中的“李飞等”指来自此期刊文章：李飞, 张熇, 吴学英, 等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]. 深空探测学报, 2017, 4(2): 143-149.
  
• NASA最早提出的完整月球信号中继方案可见文章：Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.
  
• 南极-艾特肯盆地高程原图来自：Potter, R. W. K., G. S. Collins, W. S. Kiefer, P. J. McGovern, and D. A. Kring (2012), Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, Icarus, 220, 730–743, doi:10.1016/j.icarus.2012.05.032.
  

（本文中标明来源的图片均已获得授权）

出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心