“嫦娥四号”为何要落月球背面
来源:北京日报 2019/01/02 10:32:28 作者:杭田
字号:AA+

导读: 月球背面着陆地点,大红圈为南极-艾肯盆地,小红圈为冯·卡门撞击坑。月球正面有较为宽阔的平原,虽然也有许多陨石坑,但即使是坑底也相对平整,所以“嫦娥三号”是以弧形轨迹缓慢着陆。

月球背面着陆地点,大红圈为南极-艾肯盆地,小红圈为冯·卡门撞击坑。

▼与“嫦娥三号”着陆器相比,“嫦娥四号”着陆器增加了3根5米长的低频射电频谱仪天线。

“嫦娥四号”月球车外观设计构型。

新闻背景

经过20多天的太空飞行,“嫦娥四号”很快将着陆于月球背面预选着陆区——月球南极-艾肯盆地内的冯·卡门撞击坑,成为世界第一个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。“嫦娥四号”落月探测器是2018年12月8日升空的,2018年12月12日进入月球轨道。那么,“嫦娥四号”为什么要落到月球背面?落到月球背面有哪些困难?

“嫦娥四号”一路奔月宫

“嫦娥四号”整个飞行过程包括发射入轨段、地月转移段、近月制动段、环月飞行段、环月降轨段、动力下降段,最终着陆到月面。期间,着陆器和巡视器组合体通过“鹊桥”月球中继星与地面建立上下行通信链路。着陆成功后,着陆器将择机完成巡视器释放。着陆器、巡视器分别开展科学探测,并通过“鹊桥”将数据传回地球。

“嫦娥四号”落月探测器升空后,由于准时发射、准确入轨,原计划在近月制动前实施的3次轨道中途修正,只于2018年12月9日进行了1次,达到了预期目标。

经过约110小时奔月飞行,2018年12月12日16:45,“嫦娥四号”成功实施了近月制动,顺利完成“太空刹车”,被月球捕获,进入了环月轨道。此前的12月12日16:39,“嫦娥四号”在距月面129千米处成功实施了7500牛发动机点火,约5分钟后发动机正常关机,“嫦娥四号”顺利进入近月点100千米的环月轨道,近月制动获得圆满成功。

所谓近月制动就是给高速飞行在地月转移轨道的航天器减速,使其被月球的引力捕获,进入环月轨道。“嫦娥四号”经过约110小时飞行后,以10千米/秒左右的速度和月球相遇。此时它与月球的相对速度约为2.4千米/秒。到达制动点时,它需要通过减速发动机反推将速度降下来,制动量约为800米/秒,即将原本2.4千米/秒的相对速度降低到1.6千米/秒左右。“嫦娥四号”的“刹车”力度需要极其精准。如果“刹车重了”,例如每秒的速度多减30米,可能会导致它撞上月球;如果“刹车轻了”,探测器速度过大的话,月球引力也会拉不住它。

有些人可能会问:在环月轨道运行这段时间内探测器都干什么了?据悉,“嫦娥四号”落月探测器调整了环月轨道高度和倾角,开展了与“鹊桥”月球中继星的中继链路在轨测试和导航敏感器在轨测试,以确保“嫦娥四号”最终能进入预定的着陆区,择机实施月球背面软着陆。

在月球背面着陆意义大

目前全球已进行过130多次探月活动,包括用探测器撞击过月球背面,但是从来没有一个探测器在月球背面进行软着陆。

通过已发射的大量绕月探测器了解到,月球背面具有不同于月球正面的地质构造,多“山”多“谷”,所以对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。地球上经历了多次沧海桑田,早期地质历史的痕迹早已消失殆尽,只能寄望于从月球上仍保存完好的地质记录中挖掘地球的早期历史。因此,对月球背面开展形貌、物质组成、月壤和月表浅层结构的就位与巡视综合探测,可促进对月球早期演化历史的新认知,对研究地球的早期历史也有重要价值。

另外,由于被地球潮汐锁定、月球的自转与公转周期相同等原因,在地球上永远看不到月球的背面,只有约59%的月面能被地球观测到。所以对天文学研究而言,月球背面是一片难得的宁静之地。接收遥远天体发出的射电辐射是研究天体的重要手段,称为射电观测。由于这些天体的距离遥远,电磁信号十分微弱,所以在地球上,日常生产生活的电磁环境会对射电天文观测产生显著干扰,因此天文学家一直希望找到一片完全宁静的地区,监听来自宇宙深处的微弱电磁信号。月球背面可屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号,因而在那里能监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号,研究恒星起源和星云演化,有望取得重大天文学成果。

月背着陆“鹊桥”先行

不过,正是由于在地球上永远看不到月球的背面,所以在月球背面着陆的探测器不能直接和地球站进行无线电通信。为此,我国于2018年6月14日先把“鹊桥”月球中继星送入地月拉格朗日2点(简称地月L2点)的轨道。在这个使命轨道上,“鹊桥”能同时看到地球和月球背面,并具备在1000米/秒高速在轨飞行中,速度控制精度误差不大于0.02米/秒的超强本领,从而可为在月球背面着陆的“嫦娥四号”与地球站之间提供通信链路,传输测控通信信号和科学数据。

遵循工程技术上可行、科学上有特色的原则,“嫦娥四号”的着陆区选在月球背面南极-艾肯盆地内的冯·卡门撞击坑内,这是因为该撞击坑具有较高的科学探测价值,且地势较为平坦,可以同时满足科学和工程上的要求。对该撞击坑的着陆和探测,能够揭示月球形成和演化的一些关键问题,在月球科学研究中具有划时代的意义。“嫦娥四号”将分析该地区的地表特征和地下构造,为了解月球、地球、太阳系演化提供第一手线索。

“嫦娥四号”在月球背面冯·卡门撞击坑完成软着陆后,将进行太阳电池翼展开并充电、定向天线展开并指向地球和推进剂钝化等一系列月面初始化工作。其巡视器与着陆器配合完成巡视器解锁分离、转移释放、驶离等动作,巡视器到达月面。此后,在“鹊桥”月球中继星的支持下,着陆器开展就位探测,巡视器按照任务整体规划对探测点逐个进行科学探测,并把探测数据传回地面。

适应新任务改进多多

“嫦娥四号”任务的工程目标主要有两个:研制、发射月球中继通信卫星,实现国际首次地月L2点的测控及中继通信;研制、发射月球着陆器和巡视器,实现国际首次月球背面软着陆和巡视探测。

其科学目标主要有三个:开展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。

作为“嫦娥三号”的备份,“嫦娥四号”仍由着陆器和巡视器组成,但是因为“嫦娥四号”与“嫦娥三号”的科学目标不同,因此两者所装载的科学载荷有明显变化,更换了部分科学载荷,其中最主要的特点是装载了国际科学载荷。

“嫦娥四号”的着陆方式与工作状态跟“嫦娥三号”也有很大区别,性能上有很大提升,这是因为“嫦娥三号”相当于在华北平原着陆,而“嫦娥四号”则相当于在崇山峻岭的云贵川地区着陆。

月球正面有较为宽阔的平原,虽然也有许多陨石坑,但即使是坑底也相对平整,所以“嫦娥三号”是以弧形轨迹缓慢着陆。

月球背面的地形很复杂,陨石坑更多,大坑套小坑,地势更陡峭,山峰林立,很难找出再大一些、平坦一些的地方供“嫦娥四号”安身。由于“嫦娥四号”要在凹凸不平的地方软着陆,所以需要具有比“嫦娥三号”更准确的着陆精度。为了不撞到峭壁,“嫦娥四号”具备很高的自主导航和避障功能,以便自主寻找地势相对平坦的地区进行着陆,采取近乎垂直的着陆方式。

“嫦娥三号”在长月夜零下180℃的环境中是不能工作的,而“嫦娥四号”将采取新的能源供给方式——同位素温差发电与热电综合利用技术,以保证其度过寒冷漫长的月夜及正常开展探测工作,在国内首次实测月夜期间浅层月壤的温度。

“嫦娥四号”的月球车虽与“嫦娥三号”携带的“玉兔号”月球车外形和重量一样,是全球目前重量最小的月球车,但由于要首次在月球背面软着陆和巡视,因此针对月球背面复杂的地形条件、中继通信新的需求、极大的温差和科学目标的实际需要等因素,对“嫦娥四号”月球车进行了适应性更改和有效载荷配置调整,在运动安全、能源供给、科学探测和测控通信等方面均做了特殊的设计。尤其在线路方面进行了设计改进和试验验证,使它更强大,既不怕极热极冷的“广寒宫”,又能完成更多新任务。

此外,“嫦娥四号”的月球车还针对“玉兔号”在执行任务过程中遇到的一些问题,有针对性地进行了电缆设计的改进和试验。“嫦娥四号”的月球车仅在电缆钩挂、摩擦方面就做了上千次试验,同时也尽量减少电缆裸露在外的面积,减少电缆的故障风险。

“嫦娥四号”任务完成后,我国将执行探月三期任务,发射“嫦娥五号”采样返回器,它由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分组成,将完成探月工程的重大跨越——带回2千克月球样品。

此后,我国探月工程将实施第四期工程,主要任务包括开展以机器人为代表的月球南北极探测,然后建立无人的月球科考站。最终,我国将实现载人登月的宏伟目标。

原标题:“嫦娥四号”为何要落月球背面

责编:陈倩柔 如涉版权请联系我们 转载请注明海疆在线)
分享