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月背面影像get!我们成了在月球第一个种棉花的人 | 造就Talk·刘殿富

2020-03-11  lindan9997   |  转藏
   

造就

发现创造力2小时前

疫情没有给航天事业发展按下“暂停键”。

3月2日4时,嫦娥四号着陆器完成月夜设置,进入第十五月夜休眠期。“玉兔二号”月球车累计行驶里程即将突破400米,目前达到399.788米。

此前,嫦娥四号科研团队根据已获取的科学数据,首次揭示了月球背面着陆区域地下40米深度内的地质分层结构,并阐述了其作用与演化机制。

今天,我们来听玉兔二号移动分系统主任设计师讲述嫦娥四号月背登陆背后的故事。

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刘殿富

中国航天科技集团八院研究员

玉兔二号移动分系统主任设计师

为什么要去月球的背面?

这张照片相信大家都已经很熟悉了,这是嫦娥四号探测器着陆月面之后拍摄的第一张近距离的月背影像图。

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嫦娥四号拍摄的月背影像图

嫦娥四号着陆到月背,实现了人类首次月球背面的软着陆和巡视探测。

很多人可能会有疑问,月球背面不是没有阳光吗?为什么这张照片阳光明媚呢?

其实月球背面并不是背对着太阳,而是背对着地球,所以,它也是有白天和晚上的,只不过它的一天大约相当于地球的一个月。

那么,我们为什么要去月球的背面呢?

首先,我们在地球上永远看不到月球的背面,人类也从未踏足过月背,那里古老而神秘,对我们而言始终是一个谜。

第二,月球背面没有地球大气层的影响,也没有来自地球的电磁波干扰,是开展天文观测和研究的理想之地。

2018年12月8号凌晨,嫦娥四号发射时,我在北京飞控中心的电脑前观看发射。当时微博上有人直播发射情况,在火箭升空进入云层后宣称任务成功。

实际上当时我们仍然紧张的盯着电脑屏幕,看着火箭的飞行曲线与预期的完全一致,然后是精确入轨、器箭分离,直到着陆器太阳电池翼展开,这个时候我们知道发射成功了!

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“嫦娥四号”飞行轨道示意图

那么接下来几天,可以看这个轨道的图,是经过了几次的轨道修正,到达月球附近之后进行近月制动、环月降轨。在2019年1月3号进入了一个动力下降的过程,开始着陆。

为什么嫦娥三号从发射到着陆需要12天,而嫦娥四号需要26天呢?

其实我们从同样的时间发射,到达月球的时间也基本相同。

当嫦娥三号到达月球时,月球正面是白天,背面是晚上,刚好适合在月球正面着陆。

而嫦娥四号到达月球时,同样月球正面是白天,背面是晚上,所以就绕着月球飞了半个月,等到月球背面是白天再着陆。

下面我们来看一下官方发布的着陆过程视频。

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月背第一道脚印

玉兔二号顺利到达了月背,马上就遇到了一个难题,可以看到玉兔二号正前方这个大坑,实际上附近有很多个大的撞击坑,我们要怎样从这些撞击坑中突围呢?

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嫦娥四号巡视器行驶路线图

从行驶路线图可以看到,玉兔二号周围撞击坑密布,每个圈表示一个撞击坑。月背的撞击坑经历千万年甚至上亿年的时间,坑里面的月壤可能变得非常松散,有可能使车轮深陷其中。

为了避开这些撞击坑,到达科学家指定的考察点,我们每走一步都要对周围一圈地形进行拍照,然后把照片拼接在一起形成一张完整的地形图。

飞控中心的玉兔驾驶员们详细计算,精心规划,既要避免逆光行走和逆光拍照,又要避开撞击坑,最终找出一条羊肠小道,指挥玉兔二号成功突围,一路向西。

突围成功之后,是不是就是一马平川了呢?

我们又让玉兔二号回头看了看它走过的路。

我们发现,它和月球正面不大一样,它的车辙不像月球正面那么清晰,这是为什么呢?

我们查看了避障相机的图像,发现车轮上沾满了月壤,玉兔二号走的过程中月壤被卷起,走过之后再落在车辙上,所以车辙很不清晰。

大家知道,我们着陆的地方叫冯·卡门撞击坑,是一个有着上亿年历史的撞击坑,它的直径有几十公里,地形平坦,山峰比较少,只有在中间的地方有一个中央峰。从车辙来看,这里的月壤非常松散。

在这样的月壤上行走,我们的车轮为什么不会陷下去呢?

玉兔二号具有直线行走、曲线行走和原地转向的能力。它的机动性比较强,有利于在危险地形下的脱困。

它有六个车轮,但只有一根轴跟车体连接,这里边的机构可以保证,不管是过障碍坑还是碾过石块,任何地形下六个车轮都始终与月面接触,防止翻车。

最后是轮面构型,是筛网的构型,它的重量比较轻,每个车轮只有700克。另外这种构型不容易沉陷,在松散月壤上移动时,即使陷进去,月壤也不会在车轮前面堆积导致越陷越深。

所以,我们在设计上已经从机动性、稳定性和车轮构型三个方面,把在月背移动的沉陷风险降到了最低。

有了驾驶员的精准驾驶和我们设计上的可靠保证,经过13个月之后的安全驾驶和稳健巡视,玉兔二号的移动距离突破300米、工作时间满一年,超过前苏联月球车,成为在月球上工作时间最长的月球车。

很多人也许也会有疑问,13个月昼相当于一年多一点的时间为什么只走了358米呢?

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国外月球车和火星车移动距离统计

我们看这张图上,国外月球车和火星车的移动距离统计,不管是前苏联和美国星球车都有几十公里的移动记录。

为什么我们玉兔二号走得这么慢?

其实,我们的设计速度每小时可以走几百米,但玉兔二号不是来月球赛跑的,我们的目的是科学探测和科学研究,有时候为了精确探测,我们会几厘米几厘米,甚至达到毫米级的靠近目标。

第一个在月球背面种棉花的人

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着陆器配置的科学载荷

玉兔二号上配置的科学载荷主要包括全景相机、测月雷达、红外光谱仪、中性原子探测仪。这些载荷用于月球地质探测、宇宙天文科学等领域的科学研究。

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玉兔二号配置的科学载荷

嫦娥四号还有一个很重要的特点就是国际合作。

在嫦娥四号火箭整流罩上的相关方标志里,除了中国国家航天局和中国探月工程的标志外,还包括4大国际合作伙伴:德国、荷兰、瑞典和沙特。

 

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火箭整流罩上的任务相关方

其中,跟嫦娥四号中继星一起发射的龙江二号微卫星上搭载了沙特相机,为沙特拍到了第一张月球照片,以及网上广为流传的最美地月合影,照片在英国《独立》报和美国《科学》杂志上刊发。

这也是中国航天与一带一路沿线国家合作的又一个标志性成果。

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最美地月合影

嫦娥四号上还搭载有一项由重庆大学牵头研制的科普载荷——“月面微型生态圈”,搭载了棉花、油菜、土豆、拟南芥、酵母和果蝇六种生物。

这是第一次,在月球上有一棵来自地球的植物发芽了,我们也成为了第一个在月球种棉花种土豆的人。

微博上也有人在说,我们是走到哪种到哪的民族

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走到哪,种到哪

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中国探月史回顾与展望

从2007年嫦娥一号到现在,目前我国仍有5个月球探测器同时在工作:包括嫦娥二号、嫦娥三号着陆器、鹊桥号中继星、嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车。在2019年7月,龙江二号微卫星退役前,我们同时有6个月球探测器在轨工作。

嫦娥一号是我国首颗月球卫星,实现了绕月飞行目标,是实现了我们绕、落、回三步的目标里面的第一步。

嫦娥二号同样也实现了绕月探测的目标,探测时拍摄的月面全景图,至今仍用于玉兔二号的路径规划。

嫦娥二号完成任务之后飞向了深空,在穿过小行星带时对图塔蒂斯小行星进行了清晰成像。

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中国探月史回顾与展望

嫦娥三号探测器和玉兔号月球车实现了落月探测的目标,是我国探测器首次地外天体软着陆和巡视勘察。

下一步,嫦娥五号将实现月面采样返回

它包括四个部分:轨道器负责地月往返;着陆器负责带着上升器一起着陆到月面;开展采样之后,上升器负责从月面起飞,飞到月球轨道之后,和轨道上的轨道器对接;返回器负责携带样品着陆地球。

 

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嫦娥五号探测器结构

这个过程非常复杂,之前前苏联也实施了很多次的尝试,最终成功了三次,带回了300多克的月壤,我们的嫦娥五号这次预计带回2千克的月壤。

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梦中的月球基地

2013年12月底的时候,我们嫦娥三号的着陆器拍摄到了地球的照片。从那个时候起,我就时常梦到我是月球基地的一名工作人员。当我工作的间隙,偶尔会回头看一下远处的地球家园。

中国探月工程的三步走的目标,逐步的都要实现了,然而,这并不是终点。

未来,我们可以在月球建基地,开采月球资源,在月球建造火箭,从月球出发去探索更遥远的深空。

甚至,我们还可以到月球去旅游。

梦想虽然很遥远,梦想也终将实现。

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