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飛行40萬公里690秒平穩著陸 嫦娥四號光臨月背大揭秘

http://www.kvoep.club  2019-01-04 15:32:40   來源:人民日報海外版  【字號

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  這一刻,注定要在人類的太空探索史上留下濃墨重彩的一筆。3日,飛行約40萬公里之后,嫦娥四號探測器成功降落于月球背面東經177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區,實現了人類探測器首次月球背面軟著陸和首次月背與地球的中繼通信,開啟了月球探測的新篇章。

  ■ 哪些設備上月球?

  “嫦娥四號原來是嫦娥三號的備份星,三號成功后備份轉正份,那么第二次著陸要選擇哪里?我們認為應該賦予四號更強的生命力和更多功能。從上世紀50年代開始,發射到月球的探測器和軌道器已經有100多個,但都是對月球正面的探測,至今沒有任何一個月球探測器能夠實現在月球背面軟著陸。因此,經過反復論證,最終確定了嫦娥四號月球背面軟著陸和巡視探測的總體方案。”中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁解釋了嫦娥四號任務的由來。

  中國航天科技集團五院嫦娥四號探測器系統總設計師孫澤洲說,嫦娥四號任務實際上是“兩器一星”,包括了著陸器、巡視器和“鵲橋”中繼星,其中先期發射的中繼星就是為了實現對地、對月的中繼通信,而巡視器更多地被人們稱為“月球車”。

  ■ 月背探測難在哪?

  由于月球繞地球公轉的周期與月球自轉的周期相同,所以月球總有一面背對著地球,這一面被稱為月球背面。正因為背對地球,要在月球背面實現軟著陸,探測器與地球的測控通信和數據傳輸成為首先要解決的難題。此外,月球背面并不像正面那樣平坦,著陸區的選擇及精準著陸也是難題。

  在兩位總設計師看來,嫦娥四號任務的技術難點主要體現在3個方面。

  首先是地月L2點軌道的精確設計與控制,要使中繼星穩定運行在L2點的軌道上。

  其次是地月L2點遠距離的數據中繼。“選擇L2點有很多好處,但也有不足之處,那就是距離月球7.9萬公里、距離地球4萬公里,遙遠的距離讓信號衰減的問題更棘手。地月之間通信、探測器的狀態控制等,都要靠中繼星來保障,還要考慮到通信時間、測控時間的延遲,因此,中繼星的精準可靠至關重要。”孫澤洲解釋說。

  第三是復雜地形的安全著陸。吳偉仁打了個比方:“月球正面就相當于我國的大平原,地勢平坦;但背面就有點像我國的西南山區,到處都是高山和撞擊坑,月背可供選擇的著陸區范圍只有正面的1/8。嫦娥三號著陸時可供選擇的區域范圍長約300公里、寬約90公里,而嫦娥四號只能在有限的相對大的撞擊坑里尋找相對平坦的位置作為著陸區,選擇范圍長寬各十幾公里。此外,嫦娥三號當時是斜著降落的,嫦娥四號如果也是斜著下來就要撞山了。在復雜的地形下,嫦娥四號要近乎垂直降落,著陸時間短、航程短,風險確實比較大。”

  ■ 如何選擇著陸點?

  嫦娥四號的首選著陸地點,是位于月球背面南極—艾特肯盆地中部的馮·卡門撞擊坑。為什么選擇這里?

  孫澤洲解釋說,月面不同緯度所面臨的熱控和能源設計是相互約束、相對矛盾的。如果降落到低緯度地區,光照條件好、能源獲得充足,但對于熱控是巨大的挑戰;如果降落在高緯度地區,熱控壓力大大減少,但太陽能獲取又受到影響。綜合考慮多種因素,嫦娥三號按照中高緯度降落來進行設計,嫦娥四號在月球背面著陸的緯度也確定在40度—50度的范圍內。

  此外,探測器與中繼星L2點的通信問題也是考慮因素之一。“如果探測器仰角太低,勢必更容易受到周圍山地的影響。我們希望探測器能夠高仰角對中繼星通信,這樣一來,經度也大致確定了,大的區域范圍就出現了。同時還要選擇相對大一些、平坦一些的撞擊坑,就確定了艾特肯盆地。”

  艾特肯盆地是目前發現的太陽系固體天體中最大最深的盆地,直徑大約2500公里,深度約12公里,90%的面積都分布在月球背面。“盆地確定后,還要篩選出有特點的撞擊坑作為著陸地點。同時考慮到備份窗口的問題,選擇的著陸點附近要有相鄰的、條件合適的撞擊坑。如果頭一天的發射窗口沒能如期發射,要在第二天發射,那么就要選擇相鄰經度13度左右的撞擊坑作為備選著陸區。”孫澤洲表示,綜合上述因素,最終確定馮·卡門和克雷地安撞擊坑分別作為主選擇和備份著陸區。

  落月成功后,孫澤洲表示,整個過程完全按照預想進行,著陸非常平穩,并且著陸位置就是最初設定的理想著陸點。

  ■ 探測任務有哪些?

  嫦娥四號軟著陸之后開展的科學探測,也將創造多個首次。

  吳偉仁表示,嫦娥四號的成功落月,表明我們具備了全月球到達的能力,基本上可以到達月球任何一個地點。在科學任務方面,嫦娥四號將進行月球背面低頻射電天文觀測與研究,開展月球背面巡視區形貌、礦物組分及月表淺層結構探測與研究,試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。

  吳偉仁解釋說:“著陸器、巡視器將會考察著陸地區的地形地貌、地質構造,我們會得到第一張月球地下的剖面圖,還會探測著陸地區的物質成分、月壤組成等。與此同時,還將測出月球背面的準確溫度。 ”

  據介紹,月球分為克里普巖地體、斜長高地巖地體、艾特肯盆地地體,只有艾特肯盆地地體沒有被近距離巡視探測,具有很高的科研價值。而且月球背面的巖石更加古老,如果能夠獲取其物質成分信息,將有助于科學家了解月球的化學成分演化過程。

  此外,在月球背面開展的低頻射電天文觀測也備受關注。“月球背面可以屏蔽電磁干擾,能夠填補在地球和其他地方無法開展的100KHz—1MHz射電天文觀測空白,有可能觀察到40億年前宇宙早期爆炸的暗黑地區的無線電波,將在行星際激波、日冕物質拋射和高能電子束產生機理等方面取得原創性成果。”孫澤洲說。

  嫦娥四號七大創新

  ● 實現世界首次月球背面軟著陸與巡視探測,突破月球背面復雜地形地貌識別、高精度自主著陸控制與自主避障等技術;

  ● 突破高增益可展開天線、地月拉格朗日L2點中繼軌道設計等關鍵技術;

  ● 突破強背景噪聲環境下空間低頻電場信號提取、空間低頻電磁波高靈敏度接收等技術;

  ● 突破運載火箭多窗口、窄寬度軌道設計,組合導航濾波優化,氫氧動力系統加注后推遲24小時發射等關鍵技術;

  ● 突破星載激光角反射器研制,國際首次開展超地月距離的反射式激光測距試驗;

  ● 突破寬溫變與高真空條件下的月表微型生態圈構造技術;

  ● 首次開展國際載荷搭載和聯合探測,完成月球中子及輻射劑量、中性原子分布等科學探測。

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