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首次着陆月球背面:关于"嫦娥四号"你想知道都在这里

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发表于 2018-12-6 09:57:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源:星空早知道
  作者:老严
  先说重点:2018年12月8日凌晨2时许,“嫦娥四号”探测器预计将发射升空,实现人类首次月球背面软着陆。


2013年12月14日降落到月球正面的“嫦娥3号”着陆器,即将发射的“嫦娥4号”长得跟她基本一样。这张图像由“玉兔”号月球车拍摄来源:中科院国家天文台
  各位早上好,好久不见。
  根据目前掌握到的消息,我国“嫦娥4号”探测器搭载漫游车,预计将在2018年12月8日(周六)凌晨2时许从西昌卫星发射中心发射升空。尽管没有非常详尽的官方介绍和报道,国内的民众以及国外的网友和航天爱好者们普遍对这一计划缺乏了解。但我们依旧可以从近几年公开发表的一些论文中找到一些线索,请注意,以下内容基本都出自相关文献,以及央视,新华社以及其他官方媒体的公开报道。
  好了。以下,老严准备花点时间,大致和大家聊一聊“嫦娥4号”任务的情况。我初步回答了几个最核心的问题,大家如果还有其他关于“嫦娥4号”,乃至整个嫦娥计划方面感兴趣的问题,欢迎留言提问。
  想念大家,也确实有很多话想跟大家探讨,近期老严会抽空陆续写一系列与嫦娥计划有关的文章,和各位同学,老师们,还有其他读者朋友们一起学习,讨论,也希望对大家了解中国正在开展的航天项目,有所了解。
  问题一:什么“是嫦娥计划”?


“嫦娥一号”可以说是我国开始走向深空探测的第一步
  “嫦娥”计划是中国探月工程的名称。最早,我们国家在1994年的时候,就进行了有关探月活动必要性和可行性的相关研究。此后,经过充分论证,中国科学院于2000年基本确定了我国开展月球探测的科学目标。
  随后又是10年的等待,反复研究,论证,中国的探月工程终于在2004年得到正式立项,并被命名为“嫦娥工程”,这是我们国家第一次离开地球轨道,飞向另一颗星球的计划。
  在2006年2月由国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中,第一次明确将“载人航天与探月工程”列入了国家16个重大科技专项这一。按照工程规划,“嫦娥工程”分为“绕”,“落”和“回”三步走。”绕“就是发射围绕月球的轨道器;“落”就是实现在月球表面的软着陆;“回”就是要把一部分月球的岩石和土壤带回地球做研究。


中国探月工程“嫦娥工程”的徽标,可以窥见让中国人的脚印第一次印在月球上的雄心壮志


“嫦娥计划”实施日程表

2014年,“嫦娥5号T1”实验飞行器“小飞”绕飞月球后安全返回内蒙古着陆场,这是为日后月球取样返回乃至载人登月做的技术准备

“嫦娥5号T1”实验飞行器“小飞”飞行轨道示意图
  这个计划执行的怎么样了?很多人可能略有耳闻,但说不清楚。实际上,我们已经分别在2007年和2010年发射了“嫦娥1号”和“嫦娥2号”,这两颗都是月球轨道器,实现了“绕”的第一步骤;5年前的2013年,“嫦娥3号”在虹湾降落成功,并释放月球车,实现我们第二步的“落”;
  未来,我们将通过“嫦娥5号”进一步实现“回”,即月面无人取样返回的目标。而实际上,为了实现难度最大的第三步取样返回,我们一直在紧锣密鼓实施各项技术试验,其中最具代表性的就当属2014年10月份发射的“嫦娥5号T1”试验飞行器,它的目标很明确,验证从月球轨道的高速大气返回技术,这正是“嫦娥5号”甚至以后的载人登月计划中所需要的技术环节之一。
  问题二:通俗的说一下,“嫦娥4号”是做什么的?


玉兔号拍摄的,位于远处“月平线”上的“嫦娥三号”着陆器

  首先,说一下“嫦娥4号”的“身世”。航天是高风险行业,可以说发生意外并不意外。因此,很多航天国家在研制探测器时一般都会一次做两个一模一样的,一个叫“主份”,另一个叫“备份”。比如“嫦娥2号”就是“嫦娥1号”的备份,如果“嫦娥1号”出现意外,2号就会顶替1号,“坚决完成任务”。
  但是因为我们都知道,“嫦娥1号”非常成功,那么“嫦娥2号”也不能浪费是不?但也不能简单重复一号的工作啊,怎么办?我们的科学家们决定:改造二号,使其承担更进一步,更具有风险的绕飞任务,并为后续的“嫦娥3号”着陆区进行详细勘测。就说一个方面,“嫦娥1号”飞行时,距离月面有200公里,而“嫦娥2号”最近时高度仅有15公里!要知道月球上是起伏不平的,有很多上千米的高山!


(点击看大图)“嫦娥3号”着陆点示意图(右侧浅色长条)

左上方的“虹湾”即为“嫦娥3号”的着陆区,注意右侧“嫦娥1号”的撞击点,在完成任务后,“嫦娥1号”主动撞击了月面
  为什么这样做?一方面是为了拍摄更加清晰的“嫦娥3号”预定着陆区图像,仔细查看那里是不是有过多的石块等对着陆可能产生威胁的因素;另一方面,“嫦娥3号”在着陆时,同样会先变轨到15公里高度,随后开始缓慢下降,这其实是对后续着陆月球的测控技术的一种提前演练,意义不可谓不重要。
  说了这么多,跟“嫦娥4号”有什么关系?很简答:“嫦娥4号”就是“嫦娥3号”的备份星。尽管出现了一些意想不到的故障,但2013年的“嫦娥3号”仍然基本完成了我们计划中“落”的目标,于是和前面一样,作为备份的“嫦娥4号”任务在2014年被批准立项,进行各项改装,准备放手去执行更加大胆的计划。是什么呢?着陆到月球背面去!
  是的,过几天就将升空的“嫦娥4号”将会降落到月亮的背面去。这是人类的第一次。
  问题三:为什么要去月球背面?那里没人去过吗?


1959年,人类首次远远一窥月球背面的模样。图像由苏联“月球3号”拍摄
  是的,没人去过。人类早在1959年就通过苏联发射的“月球3号”卫星第一次看到了月球背面的模样,但也只是远观而已,从未有着陆器实现在月球背面的降落考察。
  由于“嫦娥3号”已经实现了我们原计划中第二步“落”的目标。说句不好听的大实话:作为备份星的“废品利用”,“嫦娥4号”就有了进行更大胆,当然在科学上也更可能有收获的任务的底气和可能性。
  那么为什么我们最终选择了月球背面?


图一:月球的“同步自转”现象:由于月球自转的方向与周期,与它自己围绕地球公转的方向和周期是一样的。这样导致的一个结果是,月球永远以同一面朝向地球。换句话说,我们在地球上只能看到同一面的月球,我们看不到它的背面

图二:中间是地球,月球围绕地球公转。请注意,图中太阳在左侧,阳光会照亮半个月球。根据月球上的标记物,你会留意到,随着月球公转一周,它的地表各处都经历了白天和夜晚。所谓“月之暗面”是不存在的谣言
  在讲述之前,首先我们需要明确几个关于月球的基本知识点(此处敲黑板),以免一部分读者感到困惑。顺便,如果屏幕前的你是一位高中生,而你竟然也对以下的论述感到困惑,那就说明你没有学好高一地理,看完赶紧回去复习。
  第一,参见图一:月球永远以同一面朝向地球,换句话说,月球有一面是我们在地球上永远也看不到的,这就是月球的背面,而即将在本周六升空的“嫦娥4号”探测器,正是在那里着陆——人类历史上的一次;
  第二,参见图二:月球背面并不是永恒的黑夜,所谓“月之暗面”是不存在的。简单的解释就一句话,请读者体会:月球是永远以一面朝向地球,而不是以一面朝向太阳。换句话说,月球表面每个地方都会有白天和晚上,月亮上的一天大约是28天不到一点,所以“广寒宫”里的白天大概相当于我们“人间”的14天,夜晚也是大约14天;


(点击放大)基于“嫦娥1号”数据构建的全月球地图。左侧为正面,我们熟悉的月球;右侧是我们地球上看不到的背面。红字标出了SPA盆地位置

“嫦娥4号”的预定着陆区“冯·卡门环形山”。冯·卡门是我国航天的奠基人,火箭专家钱学森在美国加州理工读书时的恩师,美籍匈牙利科学家,世界著名的空气动力学家
  按照目前可以查询到的一些资料,“嫦娥4号”的预定着陆点是位于月球背面南极–艾特肯(South Pole-Aitken,SPA)盆地内的冯?卡门(Von Ka?rma?n)撞击坑。SPA是一个直径达到2500公里,最深处超过13公里的超级大盆地。这是整个月球上已知最大,最古老,深度也最大的撞击盆地,事实上,SPA盆地被认为很可能是整个太阳系内最大、最古老的撞击盆地,这里保存了原始月壳的岩石,具有极高的科学研究价值。冯?卡门撞击坑位于SPA盆地的中部,直径约186 km,中心坐标为(44.8°S,175.9°E)。
  该撞击坑是SPA盆地中典型地貌类型,物质成分和地质年代具有明显的代表性。撞击坑内的钍、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该地区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。因此,冯?卡门撞击坑具有较高的科学探测价值,被认为是未来载人月球探测的候选着陆点之一。


冯·卡门环形山周围区域高程地图,地势上大致北高南低,有利于自北向南实现降落
  另一方面,冯?卡门撞击坑的南部地势相对较为平坦,按照设计,届时“嫦娥4号”将从北往南飞行并逐渐降低高度,从着陆航迹上看,冯?卡门撞击坑地形起伏较小,有利于保障着陆过程安全。最后,其纬度与“嫦娥3号”的虹湾着陆区相近,在着陆安全性、热控、光照、测控通信等方面都有一定的经验,具有较为有利的条件和较强的工程可实现性。
  但同样重要,甚至更为重要的一点是:月球背面极为适合进行射电天文观测。由于地球拥有大气层,很多波长的电磁波是无法抵达地面的,另外,在某些波段上,地球上大量的无线电设备,大气中的闪电,极光等现象都会对观测数据产生严重干扰,甚至让观测难以进行。


所谓的“大气窗口”。地球的大气层就像一扇窗户,它允许某些频率波长的电磁波透过,但阻挡另一些透过。画面右侧可以看到,长波低频波段的电磁波几乎被完全屏蔽。而月球背面则是极为理想的观测地点,科学家们渴望去那里进行观测。12月8日,他们的梦想即将开启
  但是月球背面却完全没有这些问题:这里没有大气,由于月球背面永远背对地球,因此这里屏蔽了所有来自地球的信号干扰,唯一的干扰就是太阳辐射。而在夜晚,当太阳落山之后,这里就成了开展低频射电天文观测的绝佳地点。
  “嫦娥4号”任务搭载了相应的科学设备,将在人类历史上首次在月球背面开展低频射电天文观测,有望填补人类在100~ 1 000 kHz射电天文观测的空白,有望在太阳风激波、日冕物质抛射和高能电子束流的产生机理等方面取得原创性的成果。
  问题四:落到月球背面,“嫦娥4号”怎么跟地球保持联系?


“鹊桥”中继卫星在月球背面与地球之间建立信号链路示意图
  好问题!你想到了吗?
  的确,前面说到,月球的“身子”能挡住来自地球的干扰,当然同样也能挡住通讯信号。人类历史上所有的月球着陆器无一例外都是降落在月球的正面,也就是我们从地球上能够看到的那一面,原因很简单,它需要和地球进行通讯。这也是为何当年争相开展月球探测的美苏两国最终都没有进军月球背面的原因之一,换句话说,他们才不是因为怕那里有什么外星人基地!
  怎么解决呢?我们的方法是发射一颗中继卫星,它被放置在地球与月球之间的第二拉格朗日点(L2点)上。这是地球与月球两者引力的平衡点之一,在这个位置上,中继卫星只需要消耗很少的燃料就能够长期运行。


图中的L2点即为地球-月球之间的5个引力平衡点之一,“鹊桥”正在那里运行,等待为“嫦娥4号”提供通讯支持

“鹊桥”工作原理示意图
  而这个位置的好处就在于,它能够同时将地球,以及月球背面纳入视野,从而扮演两个原本被隔绝的地点之间的“通讯联络员”。
  我们可以做这样的比喻:就想在足球场上踢球,你(嫦娥4号)想传球(信号)给远处的队友(地球),可是你们中间有一个人高马大,长得跟胖虎差不多的对方防守队员(月球球体),为了把球传给对方,你决定“曲线救国”——你把球(信号)传给了远处的另一位队友(中继卫星),由他再把球传给在对手身后的你的队友(地球)。
  为执行“嫦娥4号”计划服务的中继卫星名叫“鹊桥”,它已经在2018年5月21日顺利发生升空,此时此刻已经在地月L2点上准确运行,等待“嫦娥4号”飞船的到来。
  问题五:能否说说“嫦娥4号”自身的基本情况?带了哪些科学设备?


(点击放大)“嫦娥4号”任务载荷搭载情况表
  好,说了那么多,是该说说“小四”本身了,但这里我没有更多的细节照片可以给到大家,还是以文字为主,还请谅解。
  “嫦娥4号”由着陆器、巡视器和中继星组成。中继星、着巡组合体分别发射,将实现人类航天器首次月球背面软着陆,利用运行于地–月拉格朗日L2点的中继星“鹊桥”完成着陆器与巡视器与地面的通信。
  着陆器与巡视器组成的所谓“着巡组合体”发射质量约3780 kg,它们将一起降落月面,随后释放漫游车(即“巡视器”)。其中着陆器设计寿命6个月,巡视器设计寿命3个月。 总的来说,着陆器和巡视器基本继承了“嫦娥3号”的状态,但也根据新的任务需求进行了适应性更改,特别需要提及的是,为进一步深入认识月球特性,获取第一手工程参数,着陆器将开展月夜期间月壤温度测量。 为此采用基于238Pu同位素热源(RHU)的同位素温差发电器(RTG),在月夜期间既可提供不小于2.5 W的电功率,还能提供大量热能用于舱内温度控制。
  换句话说,“嫦娥4号”除了太阳能板之外,还带了一块“核电池”,可以在夜晚的时候开展一些科研观测,而不必像3号那样一到晚上就得睡觉。


“嫦娥4号”着巡组合体外观
  搭载的科学载荷部分:
  针对“嫦娥4号”任务的三大科学目标和国际合作需求,探测器共配置了9台科学载荷,其中包括6台国内研制载荷和3台国际合作载荷:
  其中,着陆器配置了4台科学载荷,包括国内研制的降落相机、地形地貌相机、低频射电频谱仪以及与德国合作的月表中子与辐射剂量探测仪。
  1)降落相机:用于在着陆器降落过程中动态拍摄着陆区域的光学图像;
  2)地貌相机:用于获取着陆区月表图像并监视巡视器月表移动;
  3)低频射电频谱仪:用于探测0.1~40 MHz范围内的太阳低频射电特征和月表射电环境;
  4)月表中子与辐射剂量探测仪(中德合作):用于测量月表包括带电粒子、γ射线和中子的综合粒子辐射剂量及LET谱,测量月表快中子能谱和热中子通量,为未来载人登月安全活动和月表综合粒子辐射模型修正提供最新数据支持;
  巡视器配置了4台科学载荷,包括国内研制的全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达以及与瑞典合作的中性原子分析仪。
  1) 全景相机:用于获取巡视区的月表图像;
  2) 红外成像光谱仪:用于获取巡视探测点的月表光谱数据和几何图像数据;
  3) 测月雷达:用于探测巡视路线上的月壤厚度和月壳浅层结构;
  4) 中性原子分析仪(中瑞合作):用于观测巡视探测点0.01~10 KeV能量范围内的能量中性原子及正离子,这将是国际首次在月表开展能量中性原子探测;
  另外,中继星上也配置了1台科学载荷,即与荷兰合作的低频射电探测仪,用于探测来自太阳系内天体和银河系的 0.1~80 MHz低频射电辐射,为未来太阳系外的行星射电探测提供重要的参考依据。


“嫦娥3号”相机拍摄的月球表面环境,远处有一个撞击坑
  利用剩余空间,“嫦娥4号”还将进行几项搭载试验项目,主要有以下几项:
  1) 月球轨道超长波天文观测微卫星(以下简称微卫星);
  2) 月面微型生态圈科普载荷;
  3) 月球中继激光测距项目;
  以下逐项简单介绍
  1) 月球轨道超长波天文观测微卫星
  2018年5月21日发射中继卫星“鹊桥”时,利用CZ-4C运载火箭剩余的运力,搭载发射了两颗由哈工大研制的微卫星,分别命名为“龙江一号”和“龙江二号”。两颗微卫星分别搭载一台超长波探测仪,在月球轨道进行深空编队飞行关键技术演示验证,开展超长波天文干涉测量,进行超长波全天空图像获取、射电频谱测量、太阳和系内行星超长波射电活动观测等探索性研究。
  其中一颗微卫星还搭载了一台沙特阿拉伯研制的微型光学相机,开展地月空间成像。遗憾的是,其中一颗小卫星“龙江一号”在抵达月球轨道时出现故障,未能实现计划中的编队观测。但“龙江二号”传回了中国版的“地球升起”照片,很是精美。


哈工大研制的两颗小卫星在月球轨道编队飞行示意图

整装待发的“龙江”小卫星,黑龙江研制
  2)月面微型生态圈科普载荷
  在着陆器上搭载了一个重量大约3 kg的月面微型生态圈,内含植物种子及昆虫卵,构成简单生态系统,验证在月面太阳自然光照条件下植物的光合作用原理,观测月面低重力条件下动植物的生长状况,积累构建太空生命保障系统的技术与经验,并向公众普及生物学知识。这也是人类第一次在月亮上做这样的生物学实验,对于探索以后人类在月球生活的一些问题具有意义。
  微型生态圈搭载的生物物种暂定为马铃薯种子和家蚕卵(似乎还有拟南芥Arabidopsis)。采用圈柱式结构,通过顶部10 mm直径的光导管将太阳光引入设备内部,提供植物生长所需能源;采用聚酯薄膜保温层和半导体冷热片,实现载荷内部温度控制;采用着陆器供电与锂硫特种电池,协同实现昼夜连续供电。通过内置摄像头对生物生长过程进行图像拍摄并传回地面。


由“龙江二号”小卫星搭载,沙特阿拉伯阿卜杜勒国王科技城研制的相机拍摄的“地球升起”画面

中国和沙特两国高层出席沙特相机回传图像的发布仪式
  3)月球中继激光测距
  在中继星上搭载1.6 kg重的单体17 cm大孔径中空角锥反射镜,配合地面0.5m口径激光发射望远镜和1 m口径激光接收望远镜,进行月球和中继星之间的激光测距,预计单程测距误差优于15 mm。
  该项目将实现国际首次超过地月距离下的纯反射式激光测距实验,为“嫦娥4号”中继星提供轨道校验数据,并为未来月球激光测距科学实验和下一代月球激光反射器研制提供技术验证。在此之前,我们只在美国和苏联的探测器上实现过地月距离上的激光测距。


“嫦娥4号”中继星搭载,用于激光测距实验的角反射镜设计图
  好了,今天就先说到这里,接下来几天,请大家和老严一起,期待我们国家航天领域这一重要一步,期待人类探测器首次实现月球背面软着陆的消息。
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