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月球背面迎来首位地球访客——嫦娥四号落月记

2019-01-08 18:45编辑:admin人气:


  

  玉兔的第一行脚印:嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的“玉兔二号”巡视器走上月面影像图。国家航天局供图

  

  

嫦娥四号巡视器即月球车的车轮。国家航天局供图

  沉寂了几十亿年的月球背面,终于迎来第一位地球访客——嫦娥四号。1月3日,嫦娥四号在飞越38万公里,跋涉近1个月后,成功踏足月球背面。

  月球是距离人类家园最近的天体,从嫦娥奔月的神话到万户飞天的尝试,中国人对月球的神往从未停歇。但在过去60年的人类月球探测史上,月球背面始终是一块未被抵达的处女地。(详见中国青年报2018年12月10日 1 版《“嫦娥”再奔月 缘何向“背面”》)

  如今,随着嫦娥四号翩翩落月,人类探测器第一次在月球背面软着陆。有人说,此次任务意义堪比嫦娥三号将“嫦娥栖广寒”传说变为现实,“落月”是向国际领先者追赶,而这一次,则是“嫦娥一小步,人类一大步”,改写了全人类的历史。

  嫦娥落月地点有何深意?

  月球背面东经177.6度、南纬45.5度。中国探月工程的落月壮举,让这组略显拗口的地理坐标第一次走进公众视线。

  就是在此附近的预选着陆区,即南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑,来自中国的嫦娥四号探测器成功着陆,实现了人类探测器首次月背软着陆。

  对嫦娥四号来说,找到一个合适的着陆点安家,是初入月背的头等大事。月球背面那么大,嫦娥四号为何独独选择在南极-艾特肯盆地“安家”?

  航天科技集团五院专家告诉中国青年报·中青在线记者,为了完成着陆器月球软着陆探测任务,软着陆区域的选择应从两个方面来考虑,也可称之为“两个有利于”,即有利于科学探测目标的实现和有利于工程的实施。

  嫦娥四号远赴月球背面,不是为简单地写下一句“到此一游”,而要在科学探索上“大展拳脚”,选择落区应满足其科学探测的需要。

  不少人选择在“北上广”等地扎根,图的是大城市的丰富资源,嫦娥四号作为“月漂一族”,也是按照这个逻辑在月球上寻找安家地点,即选择在地质现象丰富或成熟月壤区、矿产资源丰富的地区,如月海和高地的接触带、大型山脉、典型撞击坑构造区域等。

  南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑就符合这样的条件。中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁曾提到,冯·卡门撞击坑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。

  这是其一,其二就是可行性。要办好人类首次月球背面软着陆这件大事,除了“天时”与“人和”,还要看“地利”——必须选择在相对平坦的区域,否则,嫦娥落月就有可能闹出“翻跟头”的笑话。

  “采光”不好也不行。用航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统总设计师孙泽洲的话说,如果降落到低纬度地区,光照条件好、能源获得充足,但对于热控是巨大挑战;如果降落在高纬度地区,热控压力大大减少,但太阳能获取又受到影响。

  综合考虑多种因素,嫦娥三号按照中高纬度降落来进行设计,嫦娥四号在月球背面着陆的纬度也确定在40度~50度的范围内,孙泽洲说:“如此既能确保探测器获得足够的能源,又能避免月昼带来的高温影响。”

  就这样,嫦娥四号的新家园落在了冯·卡门撞击坑内。

  落月过程真的是“盲降”吗?

  相较于嫦娥三号,嫦娥四号的落月难度更大。吴伟仁打了一个比方:月球正面相当于我国的大平原,地势平坦,但月球背面就有点像我国的西南山区,到处都是高山和撞击坑;嫦娥三号相当于在华北平原着陆,而嫦娥四号则是在崇山峻岭的云贵川地区着陆。

  航天科技集团五院502所制导、导航与控制系统科研人员给出一组数字:嫦娥三号月球正面着陆区地形起伏仅800米,着陆时可供选择的区域范围长约300公里、宽约90公里,而嫦娥四号月球背面着陆区地形起伏达6000米,只能在有限的相对大的撞击坑里寻找相对平坦的位置作为着陆区。何谓“平原”,何谓“山区”,可见一斑。

  同样困难的是,地球方向无法直接“看到”落月过程,所有的信息传输都需要由“鹊桥”中继星中转完成,期间会产生一定的延时,这对于瞬息万变的降落过程显然太久——这一难题,也是长期以来从未有探测器或宇航员着陆月球背面的主要原因。

  因此,对地面人员来说,在月球背面降落近乎是“盲降”,任务风险和压力都交给了制导、导航与控制系统。

  嫦娥四号着陆器制导、导航与控制系统主任设计师、航天科技集团五院502所专家程铭说,航天是系统工程,高风险、高难度,每一个大大小小的因素都可能关系着整个任务的成败,制导、导航与控制系统更是如此,它负责嫦娥四号着陆器和巡视器组合体奔月、环月、落月的整个过程的控制,“特别是临近月球时的‘踩刹车’和落月的过程,没有重来的机会,对系统的可靠性有着极高的要求。”

  1月3日,程铭和团队成员一起见证了嫦娥四号“盲降”的全过程——

  首先是掉头,做好下降准备,等到落月指令后,嫦娥四号按照制导、导航与控制系统的指挥,在距离月面15公里高度启动发动机开始减速,同时调整姿态。

  在距离月面8公里时,嫦娥四号变为垂直下降,直至最后100米——这是和嫦娥三号落月最大的不同。

  “如果说嫦娥三号是以一个抛物线的形式着陆,那么嫦娥四号就近乎垂直着陆。”按照孙泽洲的说法,这种着陆方式,在15公里到8公里高度为倾斜下降,8公里之后就改为垂直向下。与之相应的是,嫦娥四号着陆导航敏感器的性能就必须进一步提升。

  距离月面100米处,嫦娥四号稍稍悬停,在空中缓了口气,待选定落脚点后,才缓缓“飘”了下去。

  孙泽洲表示,此举是为保证落地时每只脚都不踩到石头上或坑里,悬停即是对障碍物和坡度进行识别,找好理想着陆点。

  大约10分钟后,嫦娥四号自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内。整个过程,地面人员都通过“鹊桥”中继星观看了“直播”。

  不少人捏了一把冷汗:这其中不乏风险,比如,如果下降过程中,“鹊桥”中继星的信息传输“卡住”,影响到数据上传,怎么办?

  程铭透露,制导、导航与控制系统设计了延时数据注入功能,就是把要发送给着陆器计算机的数据,提前发送到着陆器上暂存,待到着陆器上的时间和该标签相同时,数据便自动注入。如此,“鹊桥”中继星的实时数据注入,就成为备份手段。

  此外,这一系统还可以自主故障诊断与重构,换句话说,万一真的发生了故障,系统可以自己给自己 “诊断”,找到病灶并剔除病灶,通过身体各部分功能的优化再组合,确保整体功能正常。

  如今,随着落月成功,嫦娥四号着陆器身上的制导、导航与控制系统完成了使命,但嫦娥四号任务还在继续,后续还有月球车的月面就位探测、巡视探测,月昼月夜的交替等挑战,这些将考验在月球车身上的制导、导航与控制系统。

  为何“多”飞了半个月才落月?

  从2018年12月8日成功发射,到2019年1月3日成功着陆,嫦娥四号落月之旅历时27天。相比之下,嫦娥三号探测器于2013年12月2日发射,当月14日即成功着陆,仅历时13天。

  同样是落月,为何嫦娥四号比嫦娥三号多飞了半个月?

  孙泽洲给出这样的解释:科研人员希望嫦娥四号探测器着陆时,所在的区域时间恰好是“白天”,以此可得到充分的太阳光能展开工作。

  不过,嫦娥四号第一次近月制动后,轨道面到着陆区上方时,已是着陆区的“晚上”。嫦娥四号要做的,就是等月球的“白天”出现。

  这一等就是半个月。孙泽洲说,由于月球自转的周期刚好是28天,即月球上的“一天”相当于地球上的一个月,一个月昼或月夜则分别相当于地球上半个月。所以在月球黑夜开始绕月飞行的“嫦娥四号”探测器,就需要等上大约半个月。

  既然如此,为何不推迟半个月发射?这就涉及发射窗口问题。嫦娥四号要在月球背面着陆,发射机会的交集只在12月8日和9日各有两次,加起来也只有几分钟。

  除了“等白天”,还有一个原因备受关注,那就是轨道调整和中继星测试。

  根据国家航天局公布的信息,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,嫦娥四号探测器搭乘火箭发射;12月12日,嫦娥四号完成“太空刹车”,进入环月轨道;12月30日,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。

  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称,嫦娥四号与嫦娥三号在地月转移轨道运行时间相当,只是环月段时间更长,长达20多天。原因有二,一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。

  12月12日,嫦娥四号完成“太空刹车”后,进行了两次环月轨道修正,与“鹊桥”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,这些,都是为进入预定着陆区和软着陆做最后准备。

  如今,嫦娥四号已经张开双臂,拥抱月球背面这片陌生的土地。接下来,伴随着月球车玉兔二号的脚步,它们将看到更多未知风景,这些也将通过“鹊桥”中继星传回地球——这其中每一个发现,都有望成为人类科学史上的第一次。

(来源:未知)

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