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嫦娥四号探月工程使命非凡:成功奔向月球背面

2019-01-06  老夫不请自来也   |  转藏
   

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面

嫦娥四号探测器动力下降过程降落相机所拍摄的图像

嫦娥四号探测器月球背面软着陆后降落相机拍摄的图像


2019131026分,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区,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,从此实现了人类探测器首次月背软着陆、月背与地球的中继通信,后续将揭开了古老月背的神秘面纱。

1015分,北京航天飞控中心发出指令,嫦娥四号探测器从距离月面15公里处开始实施动力下降,7500N变推力发动机开机,逐步将探测器的速度从相对月球1.7公里每秒降到速度为零。其间在6-8公里处,探测器进行快速姿态调整,不断接近月球;在距月面100米处开始悬停,对障碍物和坡度进行识别,并自主避障;选定相对平坦的区域后,开始缓速垂直下降。约690秒后,探测器着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内。

在着陆过程中,降落相机拍摄了多张着陆区域影像图。随后,通过鹊桥中继星的中继通信链路,由地面操控嫦娥四号探测器进行了太阳翼和定向天线展开等多项工作,并建立了定向天线高码速率链路。1140分着陆器监视C相机获取了世界上第一张近距离拍摄的月背影像图并传回地面。图中展示了巡视器即将驶离着陆器、驶向月背的方向。

后续,嫦娥四号探测器将通过鹊桥中继星的中继通信链路,在地面控制下,开展设备工作模式调整等工作,择机实施着陆器与巡视器分离

                                    嫦娥四号着陆器与巡视器顺利分离

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
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201913日夜里,嫦娥四号着陆器与巡视器顺利分离,玉兔二号巡视器驶抵月球表面。着陆器上监视相机拍摄的玉兔二号在月背留下第一道痕迹的影像图,并由鹊桥中继星顺利传回到了地面。

嫦娥四号探测器13日成功落月后,科技人员按计划首先开展着陆器与巡视器分离的准备工作,对鹊桥中继星状态、着陆点环境参数、设备状态、太阳入射角度等两器分离的实施条件,进行了最终检查确认。

315 07分,北京飞控中心通过鹊桥中继星向嫦娥四号探测器发送指令,两器分离开始。大厅屏幕上显示,着陆器矗立月面,太阳翼呈展开状态。巡视器立于着陆器顶部,展开太阳翼,伸出桅杆。随后,巡视器开始向转移机构缓慢移动。转移机构正常解锁,在着陆器与月面之间搭起一架斜梯,巡视器沿着斜梯缓缓走向月面。2222分,玉兔二号在月背留下人类探测器的第一道印迹

嫦娥四号巡视器车轮(来源:国家航天局)


     玉兔二号继续月背行走 嫦娥四号部分有效载荷开机工作

着陆器地形地貌相机拍摄的玉兔二号在A点影像图(来源:国家航天局)
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嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器实施分离之后,相关工作继续顺利进展。截至1417时,着陆器上低频射电频谱仪的三根5米天线展开到位,德国的月表中子及辐射剂量探测仪开机测试,地形地貌相机拍摄的影像图陆续传回地面。

巡视器与中继星成功建立独立数传链路,完成了环境感知、路径规划,按计划在月面行走到达A点,开展科学探测。测月雷达、全景相机已开机,工作正常。其它有效载荷将陆续开机。

此后,嫦娥四号将迎来月昼高温考验,巡视器择机进入午休模式,预计于110日唤醒。

链接阅读:

.“鹊桥中继星

2018521日,鹊桥中继星成功发射,614日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使命轨道为嫦娥四号探测器提供地月中继测控通信
   
地月L2点位于地月连线的延长线上,经专家反复研究,最终确定将Halo 轨道(晕轨道,字借自日晕、月晕)作为鹊桥中继星使命轨道。Halo 轨道形状不同于地球卫星的椭圆轨道,而是三维非规则曲线,轨道控制非常复杂。鹊桥中继星要在Halo 轨道做拟周期运动,通过定期轨控保持轨道的稳定性,实现对嫦娥四号着陆器和巡视器的中继通信覆盖。
   
航天科技集团有限公司五院鹊桥中继星主任设计师孙骥表示:中继星距离地球接近50万公里,要在这么远的尺度上,实现对地球的测控通信,对设计天线提出了很高的要求。
        
科学家们设计了长度达到4.2米的伞状天线。这把18根合金制成的龙骨伞布是用金属钼丝编织而成的网。但是,这张网在太空中面临一个问题:当太阳照射的时候,它的表面温度不到100度,而没有太阳照射时温度可能低于-100度。极大的温差会导致这张网变',从而影响天线性能指标。为此,科学家们在地面开展了多项实验,最终成功解决了这个问题。
   
2019131507分,北京航天飞控中心通过鹊桥中继星向嫦娥四号探测器发送指令,两器分离开始。飞控大厅屏幕显示,嫦娥四号着陆器矗立月面,太阳翼呈展开状态。巡视器立于着陆器顶部,展开太阳翼,伸出桅杆。随后,巡视器开始向转移机构缓慢移动。转移机构正常解锁,在着陆器与月面之间搭起一架斜梯,巡视器沿着斜梯缓缓走向月面。2222分,巡视器踏上月球表面。
   
同时,在通信方式上,鹊桥采用了再生转发体制,这有别于一般中继通信的透明转发。透明转发是指收到什么数据就发出什么数据,而再生转发则是在收到探测器和着陆器这'两器的数据后,必须按照一定规则对这些数据进行处理和打包后再转发。这样一来,对卫星设计提出了更高要求。

.嫦娥四号和嫦娥三号的相同与不同

作为嫦娥三号的备份,按照最初的设计,嫦娥四号应该和嫦娥三号是一对“双胞胎姐妹”。在嫦娥三号探月任务成功之后,科学家们赋予嫦娥四号新任务——探测人类尚未去过的月球背面

基于新的使命,科学家们在采用嫦娥三号平台的基础上,对嫦娥四号的载荷配置做了以适应探测目标的调整:

1.取消两台:月基光学望远镜、极紫外相机

观天、看地和测月是嫦娥三号的科学目标。

观天——采用了一台月基光学望远镜,实现了在月球上仰望星空。,科学家利用这台月基光学望远镜在2016年观测到了由物质交流而成的半相接双星,对研究双星系统的物理特性提供了重要证据。目前这台月基光学望远镜仍然在工作。因此,嫦娥四号没有多大必要再搭载月基光学望远镜。

看地——嫦娥三号采用了极紫外相机,实现了首次在月球上对地球的大视野定点观测,发现地球等离子层形状类似多纳圈。科学家们还利用一次磁层亚暴期间的数据,发现了等离子体层存在的3个明显的凸起结构,这种结构相当于多纳圈在某些部位变胖了。

由于嫦娥四号在月球背面着陆并开展探测,因此,对地球观测的极紫外相机也就没有必要配置了。

2.新研制一台:低频射电频谱仪

针对嫦娥四号月基低频射电天文观测研究的科学目标,中国科学家为嫦娥四号自主新研制了低频射电频谱仪,安装在着陆器上。它可以利用月球背面没有地球电磁波干扰的环境,在月昼期间对太阳低频射电特征进行探测,对月表低频辐射环境进行探测,从而研究太阳爆发、着陆区上空的月球空间环境。

3.国际合作三台:中性粒子辐射剂量探测仪、中性原子探测仪、低频射电探测仪

针对月基低频射电天文观测研究和月面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究的科学目标,还搭载了低频射电探测仪、中性粒子辐射剂量探测仪、中性原子探测仪等三台载荷。

这三台载荷分别与荷兰、德国和瑞典合作研制。其中:

搭载在中继星上的低频射电探测仪,与安装在着陆器上的低频射电频谱仪属同类型科学载荷,科学家们将对二者获取的探测数据开展联合研究。此外,该载荷也可以对来自太阳系行星的低频射电场进行观测,并聆听来自宇宙更深处的声音

月球车上携带的中性原子探测仪,旨在解决太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题。

安装在着陆器上的中性粒子辐射剂量探测仪,能探测着陆区的辐射剂量,有助于科学家们对月表辐射环境进行评估,提供相应辐射防护的依据。

4.维继五台:降落相机、全景相机、地形地貌相机、测月雷达、红外成像光谱仪

嫦娥四号搭载了和嫦娥三号一样的这五台载荷。其中,降落相机在降落过程中对整个着陆区地形地貌进行连续拍摄,全景相机和地形地貌相机则主要对着陆区周边地形地貌进行拍摄。测月雷达旨在对巡视路线上月球表层进行探测。嫦娥三号就依靠测月雷达开展了边走边探的工作,完成了首幅月球地质剖面图,揭示了嫦娥三号着陆区的地质结构和地质演化痕迹,并发现了一种新的岩石类型。

中科院国家空间科学中心副主任、月球与深空探测总体部主任邹永廖介绍说,科学家们根据嫦娥三号提供的信息数据,发现所在探测区域曾经发生了至少三次玄武岩喷发事件,并且提出了这一区域火山作用历史的新理论模型。

红外光成像谱仪搭载在月球车上,主要为了获取矿物或化学元素的效果信息。

​    三. 嫦娥四号绕月时间为何比嫦娥三号长

 中国探月工程官方微信7日发布消息称,嫦娥四号绕月时间之所以比嫦娥三号长,是因为嫦娥四号需要等待月昼充能量、发射窗口限制多以及需要在轨测试求精细。
 
 
中新社记者 孙自法 摄
 
中国探月工程官方微信表示,2018年12月8日2时23分,嫦娥四号探测器发射升空,2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器成功软着陆在月球背面预选区域。嫦娥三号自发射到着陆月球用了13天,而嫦娥四号用了26天,这其中的科学原理基于三个方面:
 
一是嫦娥四号需要等待月昼充能量。月球自转的周期是28天,为了让探测器落到月球上就能得到充分的太阳光开展工作,因此就必须要让它在月球着陆区的白天着陆。而嫦娥四号近月制动之后,运行的轨道面到着陆区上方的时候正好是着陆区的晚上,因此嫦娥四号要持续绕月飞行一段时间,才能赶在月背的白天实施着陆。
 
二是嫦娥四号发射窗口限制多。为获取最大的运载能力,嫦娥四号的发射窗口要考虑很多约束条件,使其与日、地、月的相对关系满足任务需求。例如,奔月轨道需要调整近月点经度和飞行时间,让环月轨道临近着月点上空,为登月创造条件;奔月飞行过程中,要考虑太阳能帆板的受晒问题,要求太阳光入射方向与太阳帆板之间的夹角保持在一定范围内。此外在飞行和着陆过程中,还要考虑连续测控问题。其形成发射机会的交集只在2018年12月8日和9日各有2次,正所谓“过了这村就没这店”。
 
 
中新社发 中国国家航天局供图
 
同时,嫦娥四号的工作需要“鹊桥”中继星的配合,对各自的发射时间给出了进一步的限制。因此,嫦娥四号之所以要在月球附近“等天亮”,很大程度上是由轨道与发射窗口的限制所决定的。
 
三是嫦娥四号需要在轨测试求精细。在这42万公里的行程中,嫦娥四号还要按需调整飞行速度和轨道机动参数,而且在接近月球的过程中,还会有相应的科研测试项目。嫦娥四号绕月期间一些设备需要开机进行测试,有足够的时间,才能让测试更完整,准备更充分。嫦娥四号进入环月轨道以来,进行了2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,为实施月球背面软着陆做好准备。


​    四.中性原子探测仪:国际首次在月表探测中性原子

从中国研制第一颗科学卫星——双星计划开始,中国科学院国家空间科学中心的科学家就和瑞典空间物理研究所的科学家有了首度合作。

时隔十数年,在嫦娥四号国际载荷工作中,两位老朋友再度联手,研制出国际上首个可以在月表直接探测中性原子的仪器——中性原子探测仪。

“月球是一个天然的实验室,太阳风和月表的相互作用,可以类比到其他的行星体上,对未来的科学研究提供重要的科学数据。”中方首席专家、中科院空间中心研究员张爱兵说。

太阳风吹呀吹 中性原子飞呀飞

太阳风是一种跟空气流动很相似的“风”,只不过它吹的不是气体分子,而是太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。

由于太阳风中的粒子会干扰通讯系统,它一直让人类倍感恐慌。2006年12月13日,一次太阳风暴曾经对我国短波无线电通信造成严重影响,使得广州、海南、重庆通信中断达3小时之久。好莱坞大片《2012》《末日预言》等也曾展现过人类对于太阳风袭击地球的恐惧。

这种恐惧同时也演化成了科学家的研究方向,在没有磁场、大气保护层的“月球实验室”里,他们决定近距离且直观地看一看太阳风与月球表面的作用机制。

“最早,人们以为太阳风里的离子和电子是被月表吸收了,但是,经过一段时间的研究后,科研人员发现,太阳风离子打到月表后,会反射回来,反射回来的粒子里,有一部分仍然是离子状态,还有一部分则获得了电子,从离子状态变成了原子状态,成为中性原子。”张爱兵说。

与此同时,就好比“一石激起千层浪”,太阳风里的高速粒子打到月球表面后,也会将月球表面物质溅射起来。

“最终,溅射出的中性原子也会因为拥有一定的速度和能量,出现'逃逸’,形成月球的外逸层。”张爱兵说。

除此之外,太阳风和月表作用会对月球环境产生什么样的影响,也是科学家希望探索的内容。

“有科学家猜测,太阳风里的氢离子和月表的氧相击,可能会产生水,月球上的水可能与太阳风打到月球表面有一些关系,虽然这还不是一个定论,这也是我们想要搞清楚的内容。”张爱兵说。

创造探月新历史 首次月表直接探测

这次,嫦娥四号上搭载的中性原子探测仪,主要目标就是在月表上测量太阳风和月表相互作用之后产生的中性原子,包括太阳风本身的离子获得电子后产生的中性原子,和月球表面被溅射出的中性原子。

印度的首颗绕月人造卫星“月神一号”曾经搭载过中性原子成像仪,但和其他探月卫星一样,都是在环月轨道上对中性原子进行探测。

“我们这次要做的是在月表巡视区直接测量中性原子,可以说是人类探月史上首次在月表开展中性原子探测。以往的探测就好像是用肉眼看中性原子,这次,我们是拿着放大镜近距离、仔细地看。”张爱兵说。

过去人类在环月轨道对中性原子的探测,曾发现了一些超出预期的现象,留下了一些未解之谜,例如,人们发现中性原子和太阳风在密度、速度比率上没有直接关系等,而这些谜题也为此次探测指出了方向。

“这次我们在月表可以进行实地观测,随着月球车在月表移动到不同位置,可以观测到月表不同的地形地貌,进而观测到太阳风与月表相互作用的不同过程,有望解决过去遗留的类似科学问题。”张爱兵说。

碰撞与交流中 航天文化再度对接

作为搭载在嫦娥四号巡视器上的国际载荷,中性原子探测仪由瑞典空间物理所负责研制,中国科学家参与设备的性能测试及交付后的相关工作。

张爱兵介绍,中国与瑞典在科学卫星载荷上,已经有了很长的合作历史。

最开始的合作是在中欧合作研制的我国第一颗空间科学卫星——双星计划时。双星计划中有一台测量地球轨道环境下中性原子情况的中性原子探测仪,就是由中国科学家和瑞典科学家合作完成。

2009年,中国发起的“萤火一号”火星探测计划中,中国科学家与瑞典科学家再度合作,双方分别研制其中一个载荷的一部分,然后集中在一起形成了一个载荷包,用于测量火星离子和电子的情况。

此外,在中科院空间科学先导专项中,中国科学家和瑞典科学家也曾联手完成一些预先研究项目。

“由于双方合作次数比较多,所以在嫦娥四号的合作上非常顺利。”张爱兵说。

当然,尽管顺利,但合作中难免会有碰撞和交流,“新的合作加深了两国航天文化的交流。”张爱兵说。

按照中方的相关规范,中方在国际载荷接管复查过程中要确保接口安全,包括接口设计和元器件等的安全,不能影响其他载荷的工作,更不能影响嫦娥四号整体任务。

“一开始对方不能理解,但是通过交流,他们还是按照我们的要求做了相关工作,并把相关资料提供给中方。此次合作再一次体现了我国航天精益求精的作风,而这样的工作作风也让瑞典科学家十分认可中国科学家的工作。”张爱兵说。

未来,中国和瑞典将共同利用科学数据开展科学研究,为此,中方已经组织了专门的科学家团队。“双方将会协同工作,共同利用好这台仪器的科研数据。”张爱兵说。

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