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五年前的今天,嫦娥四号首登月背,一文带你回顾嫦娥四号任务

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今天,是嫦娥四号探测器月背软着陆五周年。2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面的预选地区,并通过鹊桥中继星传回世界第一张近距离拍摄的月背影像图,揭开了古老月背的神秘面纱。嫦娥四号任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信中国与多个国家和国际组织开展了具有重大意义的国际合作,开启了人类月球探测新篇章。2019年,“嫦娥四号捷报频传,收获众多举世瞩目的科技成果,成为国际航天界的明星。

玉兔二号巡视器全景相机对嫦娥四号着陆器成像

嫦娥四号着陆器地形地貌相机对玉兔二号巡视器成像

为什么要探测月球背面——科学意义和任务由来

古人今人若流水,共看明月皆如此。有趣的是,不仅古人今人共看同一轮明月,而且看到的还是明月的同一面一一这是因为月球的自转周期与绕地球公转周期一致,所以月球朝向地球的一面始终不变,人类无法直接观测到月球背面的景象。

近60年来,世界各国先后开展过110多次探月活动,成功实施了数十次无人探月和载人登月,获得大量关于月球地形地貌、元素分布、重力场、磁场等科学信息。但是,对月球背面的探测成果非常有限,前苏联和美国曾利用绕月探测器进行月背地形观测和影像绘制,然而还没有探测器能够在月球背面着陆,月背探测犹如隔着一层面纱,始终未能深入。

月球背面探测具有重要的科学价值,让科学界孜孜以求。一方面,月背地质情况与月面不同,研究月背地质演化历史对理解月球形成、地月系初期历史和月球深层次构造具有重要意义。月球背面分布有大量高地地形,遍布撞击坑和环形山。著名的南极-艾特肯盆地位于月背南部,是太阳系规模最大、最古老的撞击盆地,它成型于,39.2亿年前,最深处达13千米,代表其经历的撞击事件可能挖出月壳深处甚至月慢的物质,是研究月球演变历史和深部物质组成的钥匙与窗口。

嫦娥四号着陆区地理实体命名影像图

另一方面,从月背开展电磁波天文观测可以获得人类从未接触过的信息,将揭露丰富的科学内容。长期以来,科学家们主要通过电磁波开展天文观测,进而认识宇宙。人类已开展过紫外、射电、X射线、红外及毫米波等绝大多数谱段的观测,但由于电离层阻挡和地球射电干扰,未能有效实施低频射电天文观测。低频观测对于全天空成像、宇宙黑暗时期特征、太阳物理和空间天气等具有重要的研究价值。月球背面避开了地球表面的电磁干扰,成为非常理想的宇宙低频射电观测场所,为研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能,也将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。

为什么没有国家登陆月球背面?因为难度很大。为什么“嫦娥四号”一定要挑战月背着陆?因为还没有人去过,为了探索未知,“没有人去过”就是挑战的理由。

探月工程十年磨剑,“嫦娥一号”绘制形成全月地形影像图和三维立体图,探测清楚月球外围空间环境以及月表岩石的成分、类型和分布;“嫦娥二号”完成7米分辨率的全月球数字影像图和三维立体图,探访日地拉格朗日点;“嫦娥三号”成功实施月球着陆开辟我国月球“巡天、观地、测月”的历史。在一次次探月任务的积累和前行中,经过一轮轮漫长而艰苦的反复论证和严谨试验,“嫦娥四号”瞄准登陆月背,跨出人类新的一步。

怎样探测月球背面——克服工程难题

探月的每一步迈出,都需要攻克无数的科学技术难题。通信、着陆区选择、登月时机、轨道控制和着陆技术都是“嫦娥四号”面临的重大挑战。

通信是首要问题。月背始终背朝地球,探测器受月球球体阻隔,无法与地球直接通信,所以月球背面一直没有留下人类探测器的“脚印”。对此,我国发射鹊桥中继卫星,并克服运行轨道、通信链路设计、传输时延等一系列挑战,打造地月通信桥梁。“鹊桥”运行在绕地月L2点的Halo轨道,位于距地40多万公里、距月6.5万公里的地月延长线上,地月两大天体的引力和离心力在此达成巧妙平衡,“鹊桥”仅用少量燃料即可保持平稳,并同时“看见月背与地球。这一轨道构想曾由美国在1967年提出,但由于高风险和高技术复杂度从未实现。“鹊桥”勇敢选择并成功进入使命轨道,成为人类首颗月球通信中继卫星。

月球背面山峰林立,地形崎岖,在哪个位置更容易实施软着陆并有良好的科学效益?“嫦娥四号”团队综合考察了科学探测价值、中继通信可见性、热环境和光照环境、着陆过程航迹高程起伏变化、着陆点散布范围、探测器测控、轨道可达性、着陆时太阳高度角和推迟着陆的适应能力等因素,最终将月背着陆区定于南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑。

“嫦娥四号”要跨越漫长的地月距离,切换多个轨道,并于月背白天实施软着陆,这需要在整个飞行过程中计算和保持与日、地、月的相对关系。其中,奔月轨道要调整近月点位置和飞行时间,让“嫦娥四号”的环月轨道经过着月点上空,并在月背的白天抵达着月点上空;奔月飞行中,“嫦娥四号”太阳帆板与阳光入射方向保持一定范围的夹角,以保障能量供应;奔月和登月过程中,要保持地面对“嫦娥四号”的通信连接,在通信延迟的干扰下预先开展精准测控。为满足多种约束条件,科研人员计算出分布在2天里的4个共计6分钟的发射时间窗口,这对运载火箭的适应能力提出严峻挑战,要能够满足在两天里迅速切换不同发射时间窗口,适应任务需求,要提高火箭主要分系统和重要单机的可靠性,确保在短至1~2分钟内的窗口内准时发射。

月背着陆是终极挑战。南极-艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂,航迹地形起伏剧烈,高度变化速度超过史上任何一次着陆,月背着陆如同风暴洋里冲浪。“嫦娥四号”需要翻越崇山峻岭抵达着陆区,克服地形起伏带来的导航误差。对此,“嫦娥四号”团队优化轨道设计和控制,使探测器进入着陆区域;精细化发动机推力的在轨标定,优化了整个探测器动力下降和着陆过程的策略,设计了光学避障、激光三维成像避障、两轮避障等接力避障方式,保证最终精确着陆。在最终降落阶段,“嫦娥四号”先降后升,而后进入长距离垂直下降过程,其间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程,经历一系列复杂的“走位”,实现“定点、定时、精确”的着陆。

让构想照进现实——“嫦娥四号”任务一览

克服重重困难,突破各类问题,“嫦娥四号”一步一步从构想走向现实。

2018年5月21日,鹊桥中继星发射升空,首先进入预定地月转移轨道,经过四天飞行和近月制动,顺利进入月球至地月L2点的转移轨道,并借力飞往地月L2点,再经过3次轨道捕获和修正控制,进入Halo使命轨道成为人类历史首个造访这一空间的航天器,为“嫦娥四号”搭建起地月通信“生命线”。

12月8日,“嫦娥四号”发射升空,进入地月转移轨道,经过中途轨道修正和5天旅程,通过近月制动成功进入圆形月球轨道,在完成与鹊桥星的两次通信测试后再次变轨进入落月椭圆轨道。2019年1月3日,“嫦娥四号先后完成主减速段、调姿下降段、悬停段、缓速下降段、缓冲着陆段等过程,稳稳地着陆在预定区域里,完成人类首次月球背面软着陆的壮举。

着陆月面后,在鹊桥星的支持下玉兔二号巡视器离开着陆器,踏上月球表面,着陆器上的监视相机拍下了“玉兔二号”在月背的第一道痕迹影像图并把世界第一张近距离月背图传回地面。1月4日—11日,在首个月昼工作期内,嫦娥四号着陆器有效载荷开机开始探测工作,完成对着陆点周围地形环拍:“玉兔二号”顺利完成中继星链路连接,有效载荷开机、科学实验项目顺利开展,传输探测数据,并与着陆器完成互拍任务。至此,嫦娥四号任务圆满成功,中国探月工程取得“五战五捷”。

1月29日和30日,“玉兔二号和嫦娥四号着陆器先后完成自主唤醒.安全度过首个月夜。着陆器的月夜温度采集器成功监测到第一月夜温度变化情况,在最低-190℃的长时间极低温环境中,着陆器和巡视器经受住考验,关键设备按预定程序通电开机,通过鹊桥中继星向地面的通讯和数据传输状态稳定按计划继续开展第二月昼的科学探测。

之后,“嫦娥四号”连续历经月昼月夜考验,开展一系列科学实验,不断取得新的成果。12月20日,“嫦娥四号”成功自主唤醒,进入第十三月昼,悄然打破苏联“月球车一号”保持了49年的世界纪录,成为人类在月面工作时间最长的月球车。嫦娥四号着陆器上月球中子及辐射剂量探测仪、低频射电谱仪按计划开机工作,开展既定的科学探测。玉兔二号月球车在巡视期间对多个探测点进行科学探测工作,搭载的红外光谱仪对一枚月表石块进行了成像和红外探测,全景相机、中性原子探测仪、测月雷达获得了大量科学探测数据。

嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器完成第十三月昼工作,进入月夜休眠

嫦娥探月工程是我国最具标志性大型科学研究项目之一,从“嫦娥一号”到“嫦娥五号”,中国登月探索的脚步从未停止,嫦娥四号任务更是为中国航天迈出了突破性的一步。2020年,嫦娥五号实现了中国首次月球采样返回任务。2024年前后,嫦娥六号计划实施发射。它将再次去往月球背面,执行月背采样返回任务,增进人类对月球的认知。

第9月昼期间,“玉兔二号”在月球背面的撞击坑中发现了不明胶状物质

评论
西吉县第七中学马慧娟
少傅级
今天,是嫦娥四号探测器月背软着陆五周年。2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面的预选地区,并通过鹊桥中继星传回世界第一张近距离拍摄的月背影像图,揭开了古老月背的神秘面纱。嫦娥四号任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信中国与多个国家和国际组织开展了具有重大意义的国际合作,开启了人类月球探测新篇章。2019年,“嫦娥四号捷报频传,收获众多举世瞩目的科技成果,成为国际航天界的明星
2024-01-04
Ljh春暖花开
少傅级
成功实施了数十次无人探月和载人登月,获得大量关于月球地形地貌、元素分布、重力场、磁场等科学信息
2024-01-04
科普62a1537e
学士级
已关注。
2024-01-04