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人类首次 嫦娥四号为啥能在月球上干成这件大事?

2019-01-22 07:27 央视
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   原标题:人类首次!嫦娥四号为啥能在月球上干成这件大事?

   1月11日下午,探月工程传来捷报,嫦娥四号任务取得圆满成功,在人类历史上首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察,首次实现了月球背面与地球的测控通信,揭开了古老月背的神秘面纱,在月球背面留下了人类探月的第一行足迹,开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。而这是中国航天科技人员,不畏高风险和高难度,攻坚克难,勇于创新的结果。

   今天下午,举世瞩目的嫦娥四号探测器的着陆器和玉兔二号巡视器顺利实现互拍,并传回照片,标志着嫦娥四号任务取得圆满成功。过去一周多时间,嫦娥四号成为全世界的焦点。

   距离地球40多万公里的月球背面,被称为“秘境中的秘境”,公元2019年沉寂了亿万年的月球背面第一次迎来了地球访客。北京时间1月3 日上午10时 26分,中国人研制的嫦娥四号探测器,顺利降落在月球背面冯·卡门撞击坑内预定的着陆区里。

   11时 40 分,嫦娥四号传回世界上第一张近距离拍摄的月背影像图,人类第一次近距离揭开了古老月背的神秘面纱。

   顺利着陆11个多小时后,嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器成功分离,玉兔二号巡视器——也就是月球车顺利驶抵月背表面。玉兔二号是人类送上月球的第7辆月球车,也是第一辆在月球背面行驶的月球车。

   嫦娥四号成功着陆月球背面的消息发布,引起了国际主流媒体和国际航天专家的高度关注。美联社、路透社、法新社等国际主流通讯社也纷纷以“人类首次”来描述嫦娥四号成功着陆月球背面的消息。英国《卫报》也把这次着陆定义为“人类太空探索的巨大飞跃”。美国国家航空航天局局长布里登斯廷第一时间发表推文,祝贺中国嫦娥四号成功着陆月球背面,并指出这是人类首次,更是一项“令人印象深刻的成就”。

   美国休斯敦大学教授,太空建筑中心负责人奥莉佳·巴诺娃说:“中国嫦娥四号成功登陆月球背面的消息,绝对是人类航天史上的一大重要成就,这次的行动将能揭开月球背面神秘的面纱,所以这是个非常重要的成就。”

   月球背面对于人类而言,有许多未知等待着解答。由于被地球潮汐锁定,地球强大的引力让月球总是一面朝向地球,所以人类在地球上只能看见月球的正面,背面则看不见。人类探测器要想安全着陆月球背面,最大的挑战就是月球背面复杂的地形。月球背面分布着大量的撞击坑、环形山,山峰起伏,崎岖不平,可供选择的理想的平坦着陆区非常少。嫦娥四号研制团队根据工程要求,经过长达多个月对月背地形的研究分析,最终选择月球背面南极艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑作为预定的着陆地点。

   航天科技集团五院嫦娥四号着陆器总体主任设计师李飞说:“嫦娥三号在月球正面,地形地貌相对比较平坦,当时选择了一个长360余公里,宽90公里的大面积平坦区域。到了嫦娥四号,最终选择在冯·卡门撞击坑的东南侧,在坑的边缘以及中央峰中间选择了一个相对平坦的区域,最终选定在50余公里乘30公里这样一个面积,要远远小于嫦娥三号正面着陆区范围。”

   冯·卡门撞击坑是月球背面最古老的撞击坑之一,经过几十亿年的风化,在地形复杂的月球背面,已是相对比较平坦的区域了。这里的纬度和嫦娥三号着陆区的纬度比较接近,因为“嫦娥四号”是“嫦娥三号”的备份,设备参数基本一致,选择相同纬度有利于嫦娥四号进行软着陆。同时,科学家推测,冯卡门撞击坑由于历史悠久,可能留存了月球形成和太阳系起源的痕迹,有着很大的科学探测价值。

   探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁说:“撞击坑很深,而且又很大,直径是180公里,科学家认为坑撞击以后,把月幔、月壳里面的东西给撞出来了,这是最有研究价值的,因此决定到这个坑里面去探测,我们总要找科学探测的最大值。”

   嫦娥四号的着陆区面积不到嫦娥三号着陆区面积的5%,嫦娥四号要想准确飞向这个小小的着陆区,最大的难点是提高着陆精度,而控制着陆精度的最关键一步,是选准在环绕月球轨道上开始下降的那个初始点。

   航天科技集团五院嫦娥四号着陆器总体副主任设计师周文艳说:“下降的初始点与嫦娥三号相比,嫦娥三号的落点范围比较大,它可以允许在十几度的范围内变化。而嫦娥四号着陆范围落点精度要求比较高,对于这个点只允许有零点几度的偏差。为了到达这个初始点我们计算了成千上万条轨道,并从中选择了一条适合工程约束能量最省的轨道,并在飞行中对它进行不断调整,让它精确地到达这个初始点。”

   下降初始点距离月球背面高度为15公里,从动力下降指令发出到着陆,只有短短的720秒,嫦娥四号要经历主减速、快速调整、接近、悬停、避障等多个环节,由于速度快,飞行距离短,地面指令的上传速度跟不上嫦娥四号速度和位置的变化,所以这一阶段嫦娥四号完全是自主控制、自主躲避障碍物、自主选择理想着陆地点。这一阶段,嫦娥四号可能遇到的最大风险是撞到山峰或者掉到坑里。为了应对这个挑战,嫦娥四号研制团队设计了新的自主导航控制着陆的策略。

   航天科技集团五院嫦娥四号制导导航与控制系统主任设计师关轶峰说:“嫦娥三号整个着陆过程是一个相对来说倾斜下降的过程,嫦娥四号由于月球背面山峰林立,为了保障着陆器下降过程中不撞到月球山上,所以类似于定点跳伞着陆。发动机在15公里开机进行减速制动,减速过程自动到冯卡门撞击坑上方后,它的水平速度基本消除了,大概在6公里以后,整个探测器垂直往下降落。”

   航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统项目执行总监张熇说:“第一张是那张,还没有巡视器的监视像机C拍的,大家能看到前面不远处就有一个坑,那个坑大概离着陆点有20米左右,说明避障很好发挥了作用。因为如果一个着陆腿踩到坑边,可能就会翻了,还是觉得很自豪,我们终于找到很好的着陆点。”

   嫦娥四号要顺利完成月球背面软着陆和巡视勘察,还面临着一个最大的障碍,那就是通讯难题。由于地球与月球背面之间无法直接通信,必须采用中继星中继的方式。为此,我国发射了世界首颗地月中继通信卫星“鹊桥号”,承担起嫦娥四号在月球背面和地球通信的任务。

   航天科技集团五院嫦娥四号中继星总设计师张立华说:“在月球轨道上或者是除了地球轨道以外,鹊桥应该说是第一个专用的中继通讯卫星--它离月球背面的着陆器和巡视器,距离也是比较远的,最远达到了近8万公里,在这样远的通讯距离下如何保证中继通讯性能,应该说也是我们面临的一个挑战。”

   由于中继星接收信号的能力无法与装备大口径天线的地面测控站相比,加之距离月球遥远,接收信号非常微弱,不到手机信号的万分之一,数据传输速率码数也非常低。在研制过程中,科研人员一度面临信号解调质量差的难题。

   航天科技集团五院嫦娥四号中继通信载荷技术负责人张爱兵说:“为了解决这个问题我们采用了新的算法,测试应该都是上千次测试。”

   这次嫦娥四号探测器携带的巡视器月球车被命名为玉兔二号,和嫦娥三号携带的玉兔号月球车相比有了不少改进。玉兔号月球车在落月后的第二个月昼时,出现了突发故障,累计只行驶了110多米。

   探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁说:“我在现场发动有关系统、工作人员、科研技术人员一起千方百计抢救,但是最后没有抢救过来,感到很遗憾。整个工程很成功,但是留下瑕疵,这也反映出我们对月球环境的认识还不深入。主要是有一些外露的电缆经过高温低温以后,电缆表面催化,在行驶过程中剐蹭出现短路。”

   针对玉兔号出现的故障,这次玉兔二号进行了有针对性的改进。不但电缆绑扎得更加精细,而且还采取了故障隔离的设计。

   航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统总设计师孙泽洲说:“一个点上出现问题后,我们要系统做有效隔离。有效隔离就是不要把这个故障进一步扩大,使它影响只控制在小的区域。这样系统能够承受到一个区域,一个范围之内,相当于我们家里用电,不能由于一家出现短路,导致整个系统不能用。”

   由于月背地形复杂,科研人员最担心玉兔二号与地面失去联系。为此,科研人员对玉兔二号的自主能力也进行了升级,包括自主休眠,自主地应对光照的遮挡。低温或失联的状态下就先“睡会”,太阳出来再工作。

   目前,嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器上搭载的科学仪器都陆续开始工作,包括科学家们特别看好的低频射电频谱仪。因为这里常年背对地球,可以屏蔽来自地球的无线电信号干扰,为利用宇宙低频辐射研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能。

   航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统项目执行总监张熇说:“空间的低频射电观测也是天文学家梦寐以求的一个探测方式,国际上美国人发了两颗卫星,当然不仅只做低频射电观测,而是做整个太阳其他的一些观测,经费应该在20多亿人民币量级上。我们嫦娥四号到背面,首先是环境比轨道上测低频射电更好,同时也是在经费非常有限的情况下实现载荷,应该说也是一个比较大的创新吧。”

   据了解,除了我国自主研制的科学载荷外,嫦娥四号任务还与俄罗斯、荷兰、沙特、德国以及瑞典等国家合作,搭载了多台国际载荷,这在我国探月工程中也是首次。特别是针对美国国家航空航天局提出,利用美国正在月球轨道上运行的LRO卫星,来观测嫦娥四号的着陆活动,中方给予了合作。

   探月工程总设计师 中国工程院院士吴伟仁说:“我们跟美国进行了通力合作,精确提供了我们的轨道数据,以及准确的降落时间和准确的降落地点。我们也希望他们以后能够在这方面开展更加有效的合作,我们欢迎他们随时观察嫦娥四号着陆器和月球车。我觉得探月工程是和平事业,是人类共同的事业,我们应该有这种合作的心胸和大国的姿态。”

   嫦娥四号这次在月亮背面顺利软着陆,标志着中国已经具备全月球到达能力。工程任务圆满成功后,嫦娥四号任务将转入科学探测阶段,着陆器和巡视器将继续开展就位探测和月面巡视探测。中国探月工程,分“绕、落、回”三期,我们已顺利走出了前两步,下一步,嫦娥五号将执行“回”的任务。我们期待,嫦娥五号顺利实现中国人第一次月面自动采样返回的任务。

责编:韩雯雯
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