嫦娥四号终于“落月”,传回照片!人类探测器首次月球背面软着陆

DeepTech深科技2019-01-03 12:58:3121评

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。

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