嫦娥四号着陆月背 为何比嫦娥三号多飞了半个月
2019年01月03日 20:46
来源:新京报

新京报讯(记者 倪伟)自2018年12月8日乘坐长征三号乙运载火箭离开地球,经历27天太空之旅,并在太空中度过新年,今天(1月3日)10时26分,嫦娥四号探测器成功抵达归宿——在月球背面南极-艾特肯盆地内冯·卡门撞击坑着陆。

嫦娥四号开创了人类探测器在月球背面着陆的历史。布满撞击坑和奥秘的月球背面,迎来首个“地球行者”。等到巡视器(月球车)驶下着陆器,开始在月面进行巡视探测,人类将第一次获取有关月球背面地质等领域的一手信息。

”鹊桥号“中继星为地球和嫦娥四号提供数据中转。国家航天局供图

嫦娥四号着陆在哪里?

——冯·卡门撞击坑有望提供火山活动和月壳活动线索

2013年12月,嫦娥三号探测器着陆在月球正面的虹湾,这是我国首个在月球软着陆和巡视探测的探测器。嫦娥四号原本为嫦娥三号的备份,当嫦娥三号任务圆满完成后,嫦娥四号被赋予了向充满未知的月球背面进发的新使命。

嫦娥四号的着陆区与嫦娥三号相比,不仅是一个在月球正面、一个在背面的区别,其地形更为复杂崎岖,而且也面临着无法直接通信的国际难题。

嫦娥四号发回的首张月球背面影像图。这是嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的着陆点南侧月球背面图像,巡视器将朝此方向驶向月球表面。国家航天局供图

虹湾位于大型撞击坑、月海、高地(山脉) 交汇地区,布满月海玄武岩,地势开阔平坦,有利于科学勘察目标的选择。而嫦娥四号主着陆区为月球背面靠近南极的冯·卡门撞击坑,着陆区面积比虹湾地区小了许多,因为月球背面山峰林立,很难找到再大开阔平坦的地方。因此,嫦娥四号可谓是在凸凹不平“巴掌大”的地方着陆,需要具有比嫦娥三号更准确的着陆精度。

而相对而言,冯·卡门撞击坑的南部地势在月背已经较为平坦,从北往南着陆航迹的高程起伏较小,且其纬度与嫦娥三号的虹湾着陆区相近,因此在着陆安全性、热控、光照、测控通信等方面,具有较为有利的条件和较强工程可实现性。

中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁等曾撰文指出,冯·卡门撞击坑也具有较高的科学探测价值,坑内的钍、氧化铁、二氧化钛等含量均较高,同时物质组成的异常空间分布可能提供火山活动以及月壳活动线索,有利于开展月壳活动研究,并对月幔玄武岩起源研究有重要意义。

月背探测难度何在?

——靠中继星通信,信息传递有时间延迟

由于着陆在永远背对地球的月球背面,使得嫦娥四号无法同地球直接通信。这一难题,也是长期以来从未有探测器或宇航员着陆月背的主要原因。

为了解决通信阻碍,我国于2018年5月21日事先发射了一颗中继通信卫星“鹊桥号”,定位于地月拉格朗日L2点附近。地月L2点位于地月球心连线上靠近月球的一侧,距月球约6.5万公里,能同时“看到”地月,成为通信地月通信“使者”。

然而,经由“鹊桥号”的信息传递,从指令发出到行动图像传回有一定的延迟,对于巡视器的移动和机构活动有较明显影响。为此,设计人员计算并设定了巡视器每项行动的最大耗时,连同每次行动指令一同发送,同时赋予巡视器一定的自主功能,以便应对突发状况。

嫦娥四号探测器示意图。国家航天局供图

此外,嫦娥四号还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘的污染等问题。

例如,月球重力只有地球的1/6,研制人员要针对这种低重力环境,对月球车的移动速度、距离、越障能力等状态和参数进行充分的地面分析验证,并结合月面散落的陨石和撞击坑状态,使其具有一定的障碍识别和自主避障能力。

记者从航天科技集团获悉,在整个任务过程中,设计团队为巡视器定义了感知、移动、探测、充电、安全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼七种工作模式,以应对不同工作环境、适应不同工作状态的要求。

为何比嫦娥三号多飞了半个月?

——着陆区要求苛刻,需进行轨道调整和中继星测试

嫦娥三号探测器于2013年12月2日,14日成功着陆,历时12天。而嫦娥四号从去年12月8日发射到1月3日着陆,历时27天。为何嫦娥四号比三号多飞了整整半个月?

嫦娥四号探测器飞行过程分为发射阶段、地月转移阶段、环月阶段和动力下降阶段。 12月8日,探测器搭乘火箭发射;12月12日下午,嫦娥四号完成“太空刹车”,进入环月轨道;12月30日上午,嫦娥四号在环月轨道实施变轨控制,进入月球背面着陆准备轨道。

12月12日之后,嫦娥四号进行了2次环月轨道修正,与鹊桥号中继星进行了4次中继链路测试,开展了激光测距、三维成像、微波测距测速等导航敏感器在轨测试,为进入预定着陆区和软着陆做好了准备。

航天科技集团五院嫦娥四号着陆器总体副主任设计师许应乔介绍,嫦娥四号与三号在地月转移轨道运行时间相当,但是环月段时间更长,长达20多天。原因一是进行月球背面下降的轨道调整,二是进行中继星的测试,从而更精确地降落。

嫦娥四号着陆后要做什么?

——可研究人类月球早期演化历史,进行无干扰天文观测

虽然嫦娥四号基本架构继承了嫦娥三号,但科研人员根据着陆区域和科学目标的变化,对其携带的科学设备和仪器做了很大调整。为了完成这些科学探测任务,嫦娥四号把8台有效载荷和1台科普载荷带到了冯·卡门撞击坑。

嫦娥四号着陆器携带4台有效载荷和1台科普载荷,包括地形地貌相机,用于获取着陆区高分辨率彩色图像;降落相机,用于着陆过程中获取着陆区地形地貌 特征和图像;低频射电频谱仪,用于进行太阳爆发产生的低频电场探测和着陆区上空的月球电离层探测;与德国合作的月球中子及辐射剂量探测仪,用于测量能量中性粒子辐射和着陆器附近月壤中相关物质含量。科普载荷用于进行生物科普试验。

巡视器上共携带4台有效载荷。包括全景相机,用于进行近距离勘查、地形地貌分析和地质构造特征分析;测月雷达,用于进行巡视路线上月壤厚度、结构探测和进行巡视路线上月壳浅层结构探测;红外成像光谱仪,用于进行巡视区月表矿物化学成分探测和分布研究;与瑞典合作的中性原子探测仪,用于进行实地观测月表溅射能量中性原子通量,研究靠近月表的散射能量中性原子分布函数。

通过这些载荷,利用月球背面区域可屏蔽地球无线电干扰等独特优势,嫦娥四号将开展月球背面低频射电天文观测与研究,月球背面巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构探测与研究,试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究等科学任务。

科学家认为,月球背面比正面更为古老,冯?卡门撞击坑的物质成分和地质年代具有代表性,对研究月球和太阳系的早期历史具有重要价值。

月球背面也是一片难得的宁静之地,屏蔽了来自地球的无线电信号干扰,在此开展低频射电天文观测可以填补射电天文领域在低频观测段的空白,为研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能,也将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。

新京报记者 倪伟

见习编辑 侯佳欣 校对 王心

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