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注定要在人类的太空探索史上留下浓墨重彩的一笔

来源: 人民日报   日期:2019-01-04  发布者: 环球科技网 
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    1月3日,飞行约40万公里之后,嫦娥四号探测器成功降落于月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区,实现了人类探测器首次月球背面软着陆和首次月背与地球的中继通信,开启了月球探测的新篇章。
  “嫦娥四号原来是嫦娥三号的备份星,三号成功后备份转正份,那么第二次着陆要选择哪里?我们认为应该赋予四号更强的生命力和更多功能。从上世纪50年代开始,发射到月球的探测器和轨道器已经有100多个,但都是对月球正面的探测,至今没有任何一个月球探测器能够实现在月球背面软着陆。因此,经过反复论证,最终确定了嫦娥四号月球背面软着陆和巡视探测的总体方案。”中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁解释了嫦娥四号任务的由来。
  中国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,嫦娥四号任务实际上是“两器一星”,包括了着陆器、巡视器和“鹊桥”中继星,其中先期发射的中继星就是为了实现对地、对月的中继通信,而巡视器更多地被人们称为“月球车”。

  月背任务克三难
  由于月球绕地球公转的周期与月球自转的周期相同,所以月球总有一面背对着地球,这一面被称为月球背面。正因为背对地球,要在月球背面实现软着陆,探测器与地球的测控通信和数据传输成为首先要解决的难题。此外,月球背面并不像正面那样平坦,着陆区的选择及精准着陆也是难题。
  在两位总设计师看来,嫦娥四号任务的技术难点主要体现在3个方面。
  首先是地月L2点轨道的精确设计与控制,要使中继星稳定运行在L2点的轨道上。
  其次是地月L2点远距离的数据中继。“选择L2点有很多好处,但也有不足之处,那就是距离月球7.9万公里、距离地球4万公里,遥远的距离让信号衰减的问题更棘手。地月之间通信、探测器的状态控制等,都要靠中继星来保障,还要考虑到通信时间、测控时间的延迟,因此,中继星的精准可靠至关重要。”孙泽洲解释说。
  第三是复杂地形的安全着陆。吴伟仁打了个比方:“月球正面就相当于我国的大平原,地势平坦;但背面就有点像我国的西南山区,到处都是高山和撞击坑,月背可供选择的着陆区范围只有正面的1/8。嫦娥三号着陆时可供选择的区域范围长约300公里、宽约90公里,而嫦娥四号只能在有限的相对大的撞击坑里寻找相对平坦的位置作为着陆区,选择范围长宽各十几公里。此外,嫦娥三号当时是斜着降落的,嫦娥四号如果也是斜着下来就要撞山了。在复杂的地形下,嫦娥四号要近乎垂直降落,着陆时间短、航程短,风险确实比较大。”

  精准落月有妙招
  孙泽洲介绍,此次嫦娥四号的落月可以说是“正中靶心”,嫦娥四号全自主动力下降,通过惯性导航及与月面相对测量导航,按照既定制导率实现月球背面软着陆。
  与嫦娥三号相似,嫦娥四号探测器也经历了点火准备、主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段以及缓速下降段等动力下降过程,实现从距离月面15公里高度安全下降至月球表面的软着陆。全过程用时约690秒。不同之处在于,嫦娥四号在15公里到8公里高度为倾斜下降,8公里之后就改为垂直向下,引入相对于月面的测量导航。孙泽洲解释:“这样就可以克服着陆区周边地形起伏的问题。”
  为了增加着陆的安全性,嫦娥四号探测器会通过接力避障的方式。下降至2公里左右,探测器会做一次光学的初避障,主要识别大障碍。下降至100米左右,探测器会做一个悬停,利用激光敏感器实现精避障,识别0.2米障碍、坡度等,通过地形的最优识别方法找到安全区域降落。嫦娥四号的自主能力有很大提升,“如果找不到安全区域,嫦娥四号会选择相对次优的区域,还可以做水平机动调整。”

  着陆地点费思量
  嫦娥四号的首选着陆地点,是位于月球背面南极—艾特肯盆地中部的冯·卡门撞击坑。为什么选择这里?
  孙泽洲解释说,月面不同纬度所面临的热控和能源设计是相互约束、相对矛盾的。如果降落到低纬度地区,光照条件好、能源获得充足,但对于热控是巨大的挑战;如果降落在高纬度地区,热控压力大大减少,但太阳能获取又受到影响。综合考虑多种因素,嫦娥三号按照中高纬度降落来进行设计,嫦娥四号在月球背面着陆的纬度也确定在40度—50度的范围内。
  此外,探测器与中继星L2点的通信问题也是考虑因素之一。“如果探测器仰角太低,势必更容易受到周围山地的影响。我们希望探测器能够高仰角对中继星通信,这样一来,经度也大致确定了,大的区域范围就出现了。同时还要选择相对大一些、平坦一些的撞击坑,就确定了艾特肯盆地。”
  艾特肯盆地是目前发现的太阳系固体天体中最大最深的盆地,直径大约2500公里,深度约12公里,90%的面积都分布在月球背面。“盆地确定后,还要筛选出有特点的撞击坑作为着陆地点。同时考虑到备份窗口的问题,选择的着陆点附近要有相邻的、条件合适的撞击坑。如果头一天的发射窗口没能如期发射,要在第二天发射,那么就要选择相邻经度13度左右的撞击坑作为备选着陆区。”孙泽洲表示,综合上述因素,最终确定冯·卡门和克雷地安撞击坑分别作为主选择和备份着陆区。
  落月成功后,孙泽洲表示,整个过程完全按照预想进行,着陆非常平稳,并且着陆位置就是最初设定的理想着陆点。

  技术创新多亮点
  嫦娥四号突破了一批重大关键技术,实现了“七大创新”:实现世界首次月球背面软着陆与巡视探测,突破月球背面复杂地形地貌识别、高精度自主着陆控制与自主避障等技术;突破高增益可展开天线、地月拉格朗日L2点中继轨道设计等关键技术;突破强背景噪声环境下空间低频电场信号提取、空间低频电磁波高灵敏度接收等技术;突破运载火箭多窗口、窄宽度轨道设计,组合导航滤波优化,氢氧动力系统加注后推迟24小时发射等关键技术;突破星载激光角反射器研制,国际首次开展超地月距离的反射式激光测距试验;突破宽温变与高真空条件下的月表微型生态圈构造技术;首次开展国际载荷搭载和联合探测,完成月球中子及辐射剂量、中性原子分布等科学探测。
  此外,嫦娥四号在技术上也进行了创新。在轨道设计上,嫦娥四号更为精细化。“与嫦娥三号相比,嫦娥四号着陆时可选择的面积有限,因此必须提高着陆精度。直接手段就是精细化轨道设计,能够实现不同日期、不同窗口发射,都会定时定点着陆在预想着陆区。”孙泽洲说。
  在着陆段的制导导航与控制方面,孙泽洲介绍,因为嫦娥四号的航迹中要经过很多撞击坑、环形山等,因此对动力下降过程的策略和各个分段的控制目标都进行了调整,提高了敏感器的性能。同时在测控通信方面做了技术调整,既要适应对地球的测控通信,在着陆过程和工作中还要和中继星通信,解调技术由原来的模拟解调变为数字解调。
  最关键的是自主能力的提升。在动力下降过程中,原有的控制系统故障预案变成自主实现;在月面工作期间,可以自主休眠、自主唤醒,唤醒后也可以自主进入稳定工作状态。

  科学研究开新篇
  嫦娥四号软着陆之后开展的科学探测,也将创造多个首次。吴伟仁表示,嫦娥四号的成功落月,表明我们具备了全月球到达的能力,基本上可以到达月球任何一个地点。在科学任务方面,嫦娥四号将进行月球背面低频射电天文观测与研究,开展月球背面巡视区形貌、矿物组分及月表浅层结构探测与研究,试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。
  吴伟仁解释说:“着陆器、巡视器将会考察着陆地区的地形地貌、地质构造,我们会得到第一张月球地下的剖面图,还会探测着陆地区的物质成分、月壤组成等。与此同时,还将测出月球背面的准确温度。”
  据介绍,月球分为克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾特肯盆地地体,只有艾特肯盆地地体没有被近距离巡视探测,具有很高的科研价值。而且月球背面的岩石更加古老,如果能够获取其物质成分信息,将有助于科学家了解月球的化学成分演化过程。
  此外,在月球背面开展的低频射电天文观测也备受关注。“月球背面可以屏蔽电磁干扰,能够填补在地球和其他地方无法开展的100KHz—1MHz射电天文观测空白,有可能观察到40亿年前宇宙早期爆炸的暗黑地区的无线电波,将在行星际激波、日冕物质抛射和高能电子束产生机理等方面取得原创性成果。”孙泽洲说。

  深空探测不停步
  从嫦娥一号拍摄的全月球影像图,到嫦娥二号首次实现我国对小行星的飞越探测,再到嫦娥三号成功实现落月梦想、嫦娥四号实现月球背面软着陆……探月工程自2004年启动以来取得一个又一个突破,对我国月球及深空探测乃至航天事业的持续发展具有重大意义。这是继人造地球卫星、载人航天飞行取得成功之后我国航天事业发展的又一座里程碑,标志着我国已经进入世界具有深空探测能力的国家行列。
  吴伟仁表示,党的十九大明确了建设航天强国的战略目标。我们要争取在2020年跻身航天强国行列、2030年进入世界航天强国前列。未来探月工程三期还将实施两次采样返回任务,分别命名为嫦娥五号和嫦娥六号任务,将首次采用无人月球轨道交会对接方式实现月面自主采样返回。
  据了解,我国未来还将进行一系列深空探测工程重大任务,浩瀚宇宙,人类探索的脚步永不停歇。(冯 华)


 



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