12月8日，嫦娥四号踏上奔月之旅。在这颗嫦娥三号的“双胞胎妹妹”探测器上，来自中科院上海分院的5家研究所——中科院上海技物所、中科院上海天文台、中科院上海硅酸盐所、中科院上海光机所和中科院上海有机所的科研人员各显神通，或是赋予关键能力，或是添加重重保护，或是测量行进道路。正是这群科研人员的努力，让嫦娥四号闪烁着别样的上海智慧的光芒。

地面备份件正在做模拟实验，许琦敏摄

科学载荷探查月球矿物组分

由中科院上海技物所研制的红外成像光谱仪，是嫦娥四号中月球车配备的有效载荷。它可以获取月表指定位置的精细光谱信息，为月面巡视区矿物组成分析提供科学探测数据。

与嫦娥三号不同，此次嫦娥四号将在月球背面着陆，但对红外成像光谱仪而言，探测原理基本不变。太阳光经过月球表面的矿物质漫反射后，进入红外成像光谱仪，在经历了声光可调滤光器后，形成了某一波长的准单色光会聚到探测器上，从而得到月表观测目标单波段的光谱或图像信息。通过改变施加在声光可调滤光器上的驱动频率，进行波长的灵活快速选择，可实现全光谱范围内光谱及图像数据的获取。

红外成像光谱仪能适应-20ºC-55ºC工作及-50ºC-70ºC存储的温度环境，是一台高性能、轻小型、高集成的仪器。在巡视器与着陆器分离后，红外成像光谱仪将择机工作。依靠巡视器的移动能力，到达指定科学考察点时，红外成像光谱仪对月球车前方0.7m的月表进行精细光谱图谱获取，为月面巡视区矿物组成分析提供科学探测数据；定标模式利用太阳作为定标源，将定标漫射板置于定标位置时，对仪器进行标定，监测仪器状态。与嫦娥三号相比，嫦娥四号巡视器红外成像光谱仪单次探测时间缩短了一半，既提升了仪器的工作效率，也可提高仪器的定量化水平。

着陆载荷助力安全落月

嫦娥四号着陆离不开两台关键载荷——激光测距敏感器和激光三维成像敏感器。前者能够精准地测量月面与探测器的距离，后者能够精准描绘月面的三维地形，从而帮助探测器找到合适的降落点。这两台载荷也是由中科院上海技物所研制的。

测距敏感器激光器

三维成像敏感器光纤激光器

当嫦娥四号进入距离月面15公里的轨道时，激光测距敏感器由远距离测距光束开始，提供距离月面的斜距信息；在距离月面约8公里时，激光测距敏感器切换到近距离测距光束工作。为解决着陆过程中回波信号强度变化大、动态测距精度要求高的难点，激光测距敏感器采用了回波信号自动增益控制、多个测距通道复合交接班、百亿分之一秒高分辨率时间间隔测量等关键技术，探测距离超过40公里，距离测量精度优于0.2米。

当嫦娥四号距离月面100米时，会有一段2分钟左右的悬停。此时，激光三维成像敏感器将在极短的时间内，对地面进行迅速扫描，构建出一张高精度的着陆区域三维地形图。嫦娥四号根据提供的三维地形数据，避开月石、月坑等障碍，选择安全着陆地点实现探测器软着陆。

这两台载荷的核心组件——激光器，虽然都出自中科院上海光机所的空间激光工程技术实验室，但两者本领却各不相同，各有所长。在测距敏感器里，激光器的能量大，相当于10亿支普通激光笔的能量合在一起发射，这样的能量才能满足15公里距离下回波信号的探测要求，从而得到和月球间的距离信息。在三维成像敏感器里，激光器的重复频率很高，相当于一秒钟发射50000次激光，这样才能保证能在极短的时间内，完成目标范围内月面的高精度扫描测量，从而迅速绘制出三维地形图，为着陆点选择提供可靠信息。

激光测距敏感器 中科院上海技物所供图

与地面的激光器相比，上天的激光器需要改变原先“娇嫩”的模样，成为不惧失重、真空、温度剧变、力学振动的“硬汉”。为此，上海光机所在测距敏感器激光器上，使用半导体泵浦的全固态激光器技术路线，采用独有的专利技术和核心工艺，满足了空间极端环境下的使用要求；在三维成像敏感器光纤激光器上，采用全光纤化光纤激光器的技术路线，突破多项核心技术，实现光纤激光器在空间环境下的稳定工作。

VLBI为嫦娥奔月指路

甚长基线干涉测量（VLBI）是人类观测太空时分辨率最高的手段之一。探月工程测控系统VLBI测轨分系统由上海天马65米、北京密云50米、云南昆明40米、乌鲁木齐南山26米和上海佘山25米5架射电望远镜组， 以及在上海天文台VLBI指挥和数据处理中心构成。其分辨率相当于口径为3000多千米的巨大望远镜。除了科研之外，这一VLBI网在中国航天事业，尤其是嫦娥工程中大展身手。

与之前的嫦娥工程的绕月和在月球正面软着陆探测不同，嫦娥四号是人类首个降落在月球背面的探测器。由于月球自转周期与绕地球公转的周期相同，它只能永远以同一面朝向地球。为此，嫦娥四号需要一个中继卫星来帮助实现传达指令和接收数据。今年5月21日，嫦娥四号的中继星“鹊桥”发射升空，并进入到围绕“地月系统拉格朗日L2点”做拟周期的运动轨道。这一L2点是以地球为中心，经过月球之后，地球与月球的引力平衡点。在这个位置，“鹊桥”既能看到月球背面，也可以看到地球。

中国VLBI网早就已经加入到为“鹊桥”测轨的工作中。在5月21日到6月2日的重大任务段，上海VLBI中心和四个VLBI台站共有130多人参与任务，在“鹊桥”可见弧段全程跟踪观测每天工作10小时左右；在6月3日到16日的重要任务段，共有90多人参与任务，在“鹊桥”可见弧段每天工作8小时左右。VLBI中心每天实时向北京中心提供时延、时延率、轨道/精密星历和赤经赤纬等重要的测量数据。

天马望远镜 中科院上海天文台供图

在嫦娥四号奔月过程中，VLBI网将首先注视着嫦娥四号的运行轨迹，并确保它运行在一个正确的轨道上。在环月阶段，VLBI网会同时关注嫦娥四号和“鹊桥”的轨道。精确测量她们的运行轨迹，确保她们能很好地建立联系。等到嫦娥四号落月后，VLBI网不能直接看到嫦娥四号了， 将盯着“鹊桥”看。

值得一提的是，在此次任务中，VLBI测轨系统采用了新型数字化采集记录传输一体化终端设备，由于嫦娥四号通信波段在X波段，而鹊桥的通信波段在S波段，因此在数据处理技术方面在国际上首次采用S波段ΔDOR技术和针对S波段的高精度介质修正新方法，并沿用嫦娥三号任务开放的X波段ΔDOR技术。VLBI测轨系统采用每5秒数据积分为一个数据包，在1分钟内将数据处理完并源源不断地传送到北京指挥中心，实现了实时VLBI技术。这些技术将在今后的一个月为嫦娥四号探测器飞行保驾护航。

为嫦娥四号穿上合适的“衣服”

在漫漫的奔月征程、落月冒险，以及之后的月球生活中，科研人员给嫦娥四号准备了多套“衣服”，确保它能够应付各种不同的状况。其中，出自上海硅酸盐所的“衣服”就有10多件。他们针对嫦娥四号不同“身体”部位的需求，或不同“皮肤”的特性，采用不同的“剪裁”、不同的“布料”，最终确保嫦娥四号能够像一只恒温动物一样，不管外界环境如何冷热剧烈变幻，“身体内”始终保持在一个适合生存的温度区间，也保证自己能够自如地做出各种动作。

嫦娥四号着落器7500N发动机高温多层隔热材料 中科院上海硅酸盐所供图

其中，热控涂层“衣服”的种类最丰富。顾名思义，这些“衣服”与温度的控制息息相关。白天的嫦娥四号，太阳光直射下的表面温度高达100ºC，热控涂层可有效反射太阳光，并向外辐射吸收的热量，从而保证“身体”温度正常。而在嫦娥四号不同的部位，热控涂层的性能也各有差异。例如在月球车上的柔性薄膜热控涂层则更加注重“防晒”能力，而金光灿灿的低温多层隔热组件就像是一层“铠甲”包裹着暴露于太空中的仪器，使其无畏白天100℃ 、夜晚-200℃的温度剧变。

在嫦娥四号特殊的位置还有专用“工作衣”，“穿”在着陆器7500N变推力发动机外的高温隔热屏，像“裙子”一样包围着发动机喷管。在发动机和喷管点火时，这件厚度仅为1厘米的 “高温衣”正面在800~1400℃高温气流冲刷下，能保证其背面的温度不超过100℃，实现发动机高温边界与探测器本体的热隔离。

制成嫦娥四号特殊“外衣”的部分布料，金婉霞摄

高温合金抗氧化涂层位于探测器的姿控发动机喷管内外表面。由于需要多次改变轨道，姿控发动机会多次点火，该“变温衣”不仅能适应点火与熄火的冷热剧变，牢牢附着于喷管表面而不脱落，还能保护喷管的合金材料不会在高温下被燃料氧化，保证探测器平稳工作。

月球车的帆板打开与收缩，对真空低温条件下帆板的骨架金属材料是一种严苛的考验。如果没有耐摩擦抗冷焊涂层，金属杆在低温下就像是被焊接一样粘在一起。有了这件“运动衣”，月球车相当于做好了“热身运动”，确保不会在运动中受伤。

从中国第一颗卫星开始，上海有机所的有机热控涂层就一直没有缺席中国的航天工程。由于有机热控涂层施工工艺简单，可用于金属或非金属底材，具有良好的附着性能，有的品种可室温固化，因此在航天器热控制领域得到了广泛的应用。在嫦娥四号上，“黑白套装”当仁不让地占据一席之地。“白色外衣”穿在嫦娥四号外表，其热吸收率低，而反射率高，减少太阳光照射的影响；“黑色内衣”穿在嫦娥四号内壁，其热吸收率高、反射率也高，确保内部维持在一个合适的温度。