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人類歷史上首次!嫦娥四號為何能在月球背面幹成這件大事?

核心提示:昨天下午,舉世矚目的嫦娥四號探測器的著陸器和玉兔二號巡視器順利實現互拍,並傳回照片,標誌著嫦娥四號任務取得圓滿成功。過去一週多時間,嫦娥四號成為全世界的焦點。

1月11日下午,探月工程傳來捷報,嫦娥四號任務取得圓滿成功,在人類歷史上首次實現了航太器在月球背面軟著陸和巡視勘察,首次實現了月球背面與地球的測控通信,揭開了古老月背的神秘面紗,在月球背面留下了人類探月的第一行足跡,開啟了人類探索宇宙奧秘的新篇章。而這是中國航太科技人員,不畏高風險和高難度,攻堅克難,勇於創新的結果。

昨天下午,舉世矚目的嫦娥四號探測器的著陸器和玉兔二號巡視器順利實現互拍,並傳回照片,標誌著嫦娥四號任務取得圓滿成功。過去一週多時間,嫦娥四號成為全世界的焦點。

距離地球40多萬公里的月球背面,被稱為“秘境中的秘境”,西元2019年沉寂了億萬年的月球背面第一次迎來了地球訪客。北京時間1月3日上午10時26分,中國人研製的嫦娥四號探測器,順利降落在月球背面馮·卡門撞擊坑內預定的著陸區裏。

11時 40 分,嫦娥四號傳回世界上第一張近距離拍攝的月背影像圖,人類第一次近距離揭開了古老月背的神秘面紗。

順利著陸11個多小時後,嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器成功分離,玉兔二號巡視器——也就是月球車順利駛抵月背表面。玉兔二號是人類送上月球的第7輛月球車,也是第一輛在月球背面行駛的月球車。

嫦娥四號成功著陸月球背面的消息發佈,引起了國際主流媒體和國際航太專家的高度關注。美聯社、路透社、法新社等國際主流通訊社也紛紛以“人類首次”來描述嫦娥四號成功著陸月球背面的消息。英國《衛報》也把這次著陸定義為“人類太空探索的巨大飛躍”。美國國家航空航太局局長布裏登斯廷第一時間發表推文,祝賀中國嫦娥四號成功著陸月球背面,並指出這是人類首次,更是一項“令人印象深刻的成就”。

美國休斯敦大學教授,太空建築中心負責人奧莉佳·巴諾娃説:“中國嫦娥四號成功登陸月球背面的消息,絕對是人類航太史上的一大重要成就,這次的行動將能揭開月球背面神秘的面紗,所以這是個非常重要的成就。”

月球背面對於人類而言,有許多未知等待著解答。由於被地球潮汐鎖定,地球強大的引力讓月球總是一面朝向地球,所以人類在地球上只能看見月球的正面,背面則看不見。人類探測器要想安全著陸月球背面,最大的挑戰就是月球背面複雜的地形。月球背面分佈著大量的撞擊坑、環形山,山峰起伏,崎嶇不平,可供選擇的理想的平坦著陸區非常少。嫦娥四號研製團隊根據工程要求,經過長達多個月對月背地形的研究分析,最終選擇月球背面南極艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑作為預定的著陸地點。

航太科技集團五院嫦娥四號著陸器總體主任設計師李飛説:“嫦娥三號在月球正面,地形地貌相對比較平坦,當時選擇了一個長360余公里,寬90公里的大面積平坦區域。到了嫦娥四號,最終選擇在馮·卡門撞擊坑的東南側,在坑的邊緣以及中央峰中間選擇了一個相對平坦的區域,最終選定在50余公里乘30公里這樣一個面積,要遠遠小于嫦娥三號正面著陸區範圍。”

馮·卡門撞擊坑是月球背面最古老的撞擊坑之一,經過幾十億年的風化,在地形複雜的月球背面,已是相對比較平坦的區域了。這裡的緯度和嫦娥三號著陸區的緯度比較接近,因為“嫦娥四號”是“嫦娥三號”的備份,設備參數基本一致,選擇相同緯度有利於嫦娥四號進行軟著陸。同時,科學家推測,馮卡門撞擊坑由於歷史悠久,可能留存了月球形成和太陽系起源的痕跡,有著很大的科學探測價值。

探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁説:“撞擊坑很深,而且又很大,直徑是180公里,科學家認為坑撞擊以後,把月幔、月殼裏面的東西給撞出來了,這是最有研究價值的,因此決定到這個坑裏面去探測,我們總要找科學探測的最大值。”

嫦娥四號的著陸區面積不到嫦娥三號著陸區面積的5%,嫦娥四號要想準確飛向這個小小的著陸區,最大的難點是提高著陸精度,而控制著陸精度的最關鍵一步,是選準在環繞月球軌道上開始下降的那個初始點。

航太科技集團五院嫦娥四號著陸器總體副主任設計師周文艷説:“下降的初始點與嫦娥三號相比,嫦娥三號的落點範圍比較大,它可以允許在十幾度的範圍內變化。而嫦娥四號著陸範圍落點精度要求比較高,對於這個點只允許有零點幾度的偏差。為了到達這個初始點我們計算了成千上萬條軌道,並從中選擇了一條適合工程約束能量最省的軌道,並在飛行中對它進行不斷調整,讓它精確地到達這個初始點。”

下降初始點距離月球背面高度為15公里,從動力下降指令發出到著陸,只有短短的720秒,嫦娥四號要經歷主減速、快速調整、接近、懸停、避障等多個環節,由於速度快,飛行距離短,地面指令的上傳速度跟不上嫦娥四號速度和位置的變化,所以這一階段嫦娥四號完全是自主控制、自主躲避障礙物、自主選擇理想著陸地點。這一階段,嫦娥四號可能遇到的最大風險是撞到山峰或者掉到坑裏。為了應對這個挑戰,嫦娥四號研製團隊設計了新的自主導航控制著陸的策略。

航太科技集團五院嫦娥四號制導導航與控制系統主任設計師關軼峰説:“嫦娥三號整個著陸過程是一個相對來説傾斜下降的過程,嫦娥四號由於月球背面山峰林立,為了保障著陸器下降過程中不撞到月球山上,所以類似于定點跳傘著陸。發動機在15公里開機進行減速制動,減速過程自動到馮卡門撞擊坑上方後,它的水準速度基本消除了,大概在6公里以後,整個探測器垂直往下降落。”

航太科技集團五院嫦娥四號探測器系統項目執行總監張熇説:“第一張是那張,還沒有巡視器的監視像機C拍的,大家能看到前面不遠處就有一個坑,那個坑大概離著陸點有20米左右,説明避障很好發揮了作用。因為如果一個著陸腿踩到坑邊,可能就會翻了,還是覺得很自豪,我們終於找到很好的著陸點。”

嫦娥四號要順利完成月球背面軟著陸和巡視勘察,還面臨著一個最大的障礙,那就是通訊難題。由於地球與月球背面之間無法直接通信,必須採用中繼星中繼的方式。為此,我國發射了世界首顆地月中繼通信衛星“鵲橋號”,承擔起嫦娥四號在月球背面和地球通信的任務。

航太科技集團五院嫦娥四號中繼星總設計師張立華説:“在月球軌道上或者是除了地球軌道以外,鵲橋應該説是第一個專用的中繼通訊衛星--它離月球背面的著陸器和巡視器,距離也是比較遠的,最遠達到了近8萬公里,在這樣遠的通訊距離下如何保證中繼通訊性能,應該説也是我們面臨的一個挑戰。”

由於中繼星接收信號的能力無法與裝備大口徑天線的地面測控站相比,加之距離月球遙遠,接收信號非常微弱,不到手機信號的萬分之一,數據傳輸速率碼數也非常低。在研製過程中,科研人員一度面臨信號解調品質差的難題。

航太科技集團五院嫦娥四號中繼通信載荷技術負責人張愛兵説:“為了解決這個問題我們採用了新的演算法,測試應該都是上千次測試。”

這次嫦娥四號探測器攜帶的巡視器月球車被命名為玉兔二號,和嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車相比有了不少改進。玉兔號月球車在落月後的第二個月晝時,出現了突發故障,累計只行駛了110多米。

探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁説:“我在現場發動有關係統、工作人員、科研技術人員一起千方百計搶救,但是最後沒有搶救過來,感到很遺憾。整個工程很成功,但是留下瑕疵,這也反映出我們對月球環境的認識還不深入。主要是有一些外露的電纜經過高溫低溫以後,電纜表面催化,在行駛過程中剮蹭出現短路。”

針對玉兔號出現的故障,這次玉兔二號進行了有針對性的改進。不但電纜綁扎得更加精細,而且還採取了故障隔離的設計。

航太科技集團五院嫦娥四號探測器系統總設計師孫澤洲説:“一個點上出現問題後,我們要系統做有效隔離。有效隔離就是不要把這個故障進一步擴大,使它影響只控制在小的區域。這樣系統能夠承受到一個區域,一個範圍之內,相當於我們家裏用電,不能由於一家出現短路,導致整個系統不能用。”

由於月背地形複雜,科研人員最擔心玉兔二號與地面失去聯繫。為此,科研人員對玉兔二號的自主能力也進行了升級,包括自主休眠,自主地應對光照的遮擋。低溫或失聯的狀態下就先“睡會”,太陽出來再工作。

目前,嫦娥四號著陸器和玉兔二號巡視器上搭載的科學儀器都陸續開始工作,包括科學家們特別看好的低頻射電頻譜儀。因為這裡常年背對地球,可以遮罩來自地球的無線電信號干擾,為利用宇宙低頻輻射研究太陽、行星及太陽系外天體提供可能。

航太科技集團五院嫦娥四號探測器系統項目執行總監張熇説:“空間的低頻射電觀測也是天文學家夢寐以求的一個探測方式,國際上美國人發了兩顆衛星,當然不僅只做低頻射電觀測,而是做整個太陽其他的一些觀測,經費應該在20多億人民幣量級上。我們嫦娥四號到背面,首先是環境比軌道上測低頻射電更好,同時也是在經費非常有限的情況下實現載荷,應該説也是一個比較大的創新吧。”

據了解,除了我國自主研製的科學載荷外,嫦娥四號任務還與俄羅斯、荷蘭、沙特、德國以及瑞典等國家合作,搭載了多臺國際載荷,這在我國探月工程中也是首次。特別是針對美國國家航空航太局提出,利用美國正在月球軌道上運作的LRO衛星,來觀測嫦娥四號的著陸活動,中方給予了合作。

探月工程總設計師 中國工程院院士吳偉仁説:“我們跟美國進行了通力合作,精確提供了我們的軌道數據,以及準確的降落時間和準確的降落地點。我們也希望他們以後能夠在這方面開展更加有效的合作,我們歡迎他們隨時觀察嫦娥四號著陸器和月球車。我覺得探月工程是和平事業,是人類共同的事業,我們應該有這種合作的心胸和大國的姿態。”

嫦娥四號這次在月亮背面順利軟著陸,標誌著中國已經具備全月球到達能力。工程任務圓滿成功後,嫦娥四號任務將轉入科學探測階段,著陸器和巡視器將繼續開展就位探測和月面巡視探測。中國探月工程,分“繞、落、回”三期,我們已順利走出了前兩步,下一步,嫦娥五號將執行“回”的任務。我們期待,嫦娥五號順利實現中國人第一次月面自動採樣返回的任務。(央視新聞)

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責任編輯:何艷

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