■記者 劉錕 人類月球探測開啟新篇章！記者從國家航天局獲悉，昨天10時(shí)26分,嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面東經(jīng)177.6度、南緯45.5度附近的預(yù)選著陸區(qū)，并通過“鵲橋”中繼星傳回世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。這次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸和首次月背與地球的中繼通信。 此外，嫦娥四號任務(wù)月球車全球征名活動于昨天揭曉，月球車（巡視器）命名為“玉兔二號”。1月3日夜里，嫦娥四號著陸器與巡視器已順利分離，玉兔二號巡視器駛抵月球表面。22時(shí)22分，巡視器踏上月球表面。著陸器上監(jiān)視相機(jī)拍攝的玉兔二號在月背留下第一道痕跡的影像圖，“鵲橋”中繼星順利傳回地面。 月球背面究竟長成啥樣 是張麻子臉：隕石坑多，布滿溝壑峽谷懸崖 從昨天嫦娥四號傳回的首張近距離月背圖來看，月背長相確實(shí)不咋樣。 用嫦娥四號副總指揮兼副總師張玉花的話來說，月球背面這張“面孔”更像一張“麻子臉”，隕石坑的數(shù)量比月球正面要多，放眼望去隨處可見，密密麻麻。月背“皺紋”也多，布滿溝壑、峽谷和懸崖，而月球正面相對平坦得多。另外還有幾處巨大的“痤瘡”，暗斑中的物質(zhì)與月面的普通物質(zhì)相比有很大的不同，這種現(xiàn)象似乎能說明月球背面由于毫無遮攔地暴露在太空里，遭遇了大量天體的直接撞擊。經(jīng)年累月，月球就像一個(gè)盾牌，為地球擋住了隕石，守護(hù)地球安全。 月球背面還是個(gè)“厚臉皮”，它的月殼從整體來講比正面厚。究竟是什么原因?qū)е略職ず穸炔灰粯樱娬f紛紜。不過，“厚臉皮”為月球背面的“白膚色”提供了佐證。照片顯示，月球背面巨大的隕石坑都呈現(xiàn)出白色，好像從來沒有暗色的熔巖從上面流過。科學(xué)家研究認(rèn)為，由于月球背面的月殼很厚，熔巖無法溢出，所以顏色比正面“白皙”。正面月殼很薄，熔巖很容易破縫流淌在表面。此外，月球正面月海很多，而月球背面卻只有3個(gè)，它們的名字分別叫東海、莫斯科海和智海。月球正面有許多巨大綿延起伏的山巒，背面卻不像正面那么多。 月背、地球通信如何實(shí)現(xiàn) 架地月“鵲橋”：進(jìn)行信息數(shù)據(jù)“中繼”交換 隨著嫦娥四號在月球背面成功軟著陸，我國也成為世界上首個(gè)建立月背與地球中繼通信的國家。 深空探測任務(wù)中難度最大的就是如何確保遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠建立，實(shí)現(xiàn)航天器和地面的實(shí)時(shí)通信聯(lián)絡(luò)，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關(guān)鍵核心技術(shù)。嫦娥四號探測器要到月球背面安家落戶，首先遇到的就是它與地球不僅相隔遙遠(yuǎn)的地月距離，而且還要隔著通信信號無法穿透的月球球體。 “搭橋”是較為完美的解決方案。2018年4月24日，中繼衛(wèi)星被正式命名為“鵲橋”。“鵲橋”不大，重量才約448公斤，衛(wèi)星本體橫向尺寸1.4米×1.4米，高度850毫米，加上天線是3米多。 由于嫦娥四號要在月球背面靠近南極一個(gè)叫馮·卡門撞擊坑的地方軟著陸，科技人員決定把“鵲橋”架在“地月系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)”上，這個(gè)位置處于地球和月球兩點(diǎn)連線的延長線上，且在較小的天體也就是月球一側(cè)，在這個(gè)位置“鵲橋”既可以看到地球，又可以看到月球背面，因此，可以同時(shí)與地球和月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換，完成“中繼”任務(wù)。 如果中繼衛(wèi)星“守”在地月拉格朗日L2點(diǎn)不動，由于受月球遮擋，仍然“看不見”地球。所以，設(shè)計(jì)師為其設(shè)計(jì)了Z向振幅約1.3萬千米，繞地月拉格朗日L2點(diǎn)的Halo軌道。“鵲橋”在這一軌道上做擬周期運(yùn)動，既能“看見”地球，又能“看見”月球，可以同時(shí)與地球和月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換，通過定期軌道控制來保持軌道的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對嫦娥四號著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。 “鵲橋”首戰(zhàn)成功，后面還將面臨更重的任務(wù)，為兩器分離、互拍以及巡視器探測提供通信支持。 除了搭建通信橋梁，“鵲橋”還嘗試為空間科學(xué)試驗(yàn)“牽線”，激光測距試驗(yàn)是其一。目前，人類歷史上最遠(yuǎn)距離的激光測距試驗(yàn)是依據(jù)1969年阿波羅11號在月球上放置的一套激光測距反射鏡陣列進(jìn)行。如今，在距離地球40多萬公里的地月拉格朗日L2點(diǎn)附近，“鵲橋”將嘗試把遠(yuǎn)距離激光測距的紀(jì)錄再度延伸。“鵲橋”上還搭載了浙江大學(xué)研制的兩臺相機(jī)，用來拍攝天線展開的過程，若幸運(yùn)，人們還會看到其拍攝的地月彩色合影。 一噸重嫦娥四號如何軟著陸 四條著陸腿：“大腳掌”確保不會“閃著腰” 從距離月面幾十公里的高度一直到著陸月面，嫦娥四號如何才不會“閃著腰”？ 面對體重超過一噸的嫦娥四號，為實(shí)現(xiàn)軟著陸，中國航天科研人員在著陸器上安裝了反推發(fā)動機(jī)。但能否經(jīng)受住最后“一落”，著陸器的四條腿至關(guān)重要。這四條腿學(xué)名叫“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”。它能利用緩沖功能，將嫦娥四號著陸月面瞬間所產(chǎn)生的沖擊有效吸收，防止巨大的沖擊力對嫦娥四號安裝的重要儀器設(shè)備造成損傷。 為確保良好的緩沖，科研人員為四條腿配備了兩個(gè)秘密武器。一個(gè)是“大腳掌”，這是與月球表面直接接觸的部位，它長得和人的腳掌完全不同，是圓的，看上去像個(gè)大臉盆。說它很大，是因?yàn)樗闹睆讲畈欢嗍瞧胀ㄈ四_長的兩倍。為什么要設(shè)計(jì)成盆狀呢？這種盆狀結(jié)構(gòu)可以更好地防止嫦娥四號著陸月面時(shí)摔倒。 為讓這個(gè)大腳掌足夠強(qiáng)壯，內(nèi)部使用了長得像蜂窩一樣的材料，在中央還埋藏著一個(gè)長得很特別的金屬結(jié)構(gòu)，像足弓一樣，能將沖擊力有效分散。在這個(gè)“足弓”內(nèi)部還填充有更致密的緩沖材料，起到更好的緩沖作用。 第二個(gè)秘密武器就是主腿和副腿。每條著陸腿都包含一個(gè)主腿和兩個(gè)副腿。兩種腿各司其職。在著陸前，副腿推著主腿向外側(cè)展開到規(guī)定角度并鎖定，然后主腿就負(fù)責(zé)在著陸時(shí)安全地支撐住嫦娥四號，將各種沖擊力傳遞、吸收。副腿也會輔助主腿緩沖巨大的沖擊力，并使落月更穩(wěn)定、安全。 月球很遠(yuǎn)，要想飛得更快，體重要盡可能輕。為了減重，主腿和副腿的外殼是又長又薄的圓筒，為了確保圓筒強(qiáng)度，設(shè)計(jì)師優(yōu)選了一種強(qiáng)度很高的鋁合金材料，但這種材料加工時(shí)十分容易變形，越細(xì)、越長、越薄的圓筒就越難加工。 月背科學(xué)探測有何意義 電磁波“寧靜區(qū)”：接收更多宇宙微弱信號 月球背面的科學(xué)探測意義重大。那里避開來自地球的大量電磁干擾，處于電磁波“寧靜區(qū)”，在這樣的潔凈環(huán)境中，探測器可以接收到更多微弱信號，例如宇宙形成早期發(fā)出的短波。人類通過多次環(huán)月探測發(fā)現(xiàn)，月球背面分布著大大小小的天體撞擊坑，這片神秘區(qū)域到底經(jīng)歷過怎樣的天體活動？科學(xué)家分析，這些撞擊坑有的在幾十萬年前生成，能否通過它們找到宇宙起源的蛛絲馬跡？ 嫦娥四號探測器的成功著陸，為人類揭開月球背面的神秘面紗邁出關(guān)鍵一步。嫦娥四號首選著陸區(qū)為月球南極——艾特肯盆地。“與嫦娥三號的虹灣著陸區(qū)相比，虹灣的整體趨勢較平坦，但艾特肯盆地的地形則比較崎嶇，撞擊坑大且分布密集，這就對探測器著陸區(qū)的選擇和著陸精度提出很高要求。” 巡視器還要面對月球表面晝夜溫差變化大、低重力環(huán)境以及細(xì)小微塵的污染等問題。“比如，月球的重力只有地球的1/6，我們要針對這種低重力環(huán)境，對巡視器的移動速度、距離、越障能力等狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行充分的地面力學(xué)分析和驗(yàn)證，并結(jié)合月面散落的隕石和撞擊坑的狀態(tài)，使其具有一定的障礙識別和自主避障能力，保證它的通過性、機(jī)動性以及地形適應(yīng)性。” 嫦娥四號如何“盲降”月背 著陸器控制系統(tǒng)：設(shè)計(jì)延時(shí)數(shù)據(jù)注入功能 嫦娥四號成功實(shí)現(xiàn)在月球背面軟著陸，再次把我國航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）技術(shù)提升到新高度。 GNC系統(tǒng)負(fù)責(zé)嫦娥四號著陸器和巡視器組合體奔月、環(huán)月、落月的整個(gè)過程控制，特別是臨近月球時(shí)的“踩剎車”和落月的過程，沒有重來的機(jī)會。相較于嫦娥三號，嫦娥四號的落月有著更高的難度，難度主要來自于“月球背面安全著陸”。究其原因，一是月球背面崎嶇不平。二是落月過程地球方向不直接可見，所有的信息傳輸都需在中繼星“鵲橋”中轉(zhuǎn)下完成。整個(gè)落月過程由GNC系統(tǒng)自主操控，加之回傳畫面的延遲，對地面人員來說，這個(gè)過程近乎“盲降”。 昨天10時(shí)15分，嫦娥四號終于如期等來落月的指令。首先是掉頭，做好下降準(zhǔn)備，然后在距離月面15公里的高度“定時(shí)定量”啟動發(fā)動機(jī)開始快速減速，在邊往前飛邊下降的同時(shí)，嫦娥四號快速調(diào)整姿勢調(diào)整速度，在距離月面約6公里的高度時(shí)調(diào)整至垂直下降。專家表示，這個(gè)垂直就是和嫦娥三號最大的不同，因?yàn)檫@里太崎嶇，如果水平方向持續(xù)移動就會讓著陸器不能準(zhǔn)確測量自己所處的高度。繼續(xù)下降，待發(fā)現(xiàn)下方100米就是月面時(shí)，為保證落地時(shí)每只腳都不踩到石頭上、踩到坑里，嫦娥四號稍稍歇了歇腳，待自己找好著陸點(diǎn)才緩緩飄下去。 為了防止在最緊張的、不可逆的月球背面著陸過程中“鵲橋”出現(xiàn)問題影響數(shù)據(jù)的上傳，GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了延時(shí)數(shù)據(jù)注入功能，提前把要注入著陸器計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器上的某個(gè)地方暫存，這個(gè)數(shù)據(jù)包是帶有時(shí)間標(biāo)簽的，待到著陸器上的時(shí)間和該標(biāo)簽相同時(shí)，數(shù)據(jù)便自動注入，如此，原本賴以生存的通過“鵲橋”的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)注入就淪為備份手段。 系統(tǒng)還可以“全程自主故障診斷與重構(gòu)”，萬一真的發(fā)生故障，系統(tǒng)可以隨時(shí)給自己進(jìn)行“診斷”，找到和剔除病灶，確保落月過程萬無一失。 著陸器GNC圓滿完成使命，但嫦娥四號任務(wù)還在繼續(xù)，后續(xù)還有著陸器、巡視器的兩器分離，月球車的月面就位探測、巡視探測，月晝月夜的交替等挑戰(zhàn)，具體考驗(yàn)的就是嫦娥四號巡視器GNC系統(tǒng)的智慧了。 嫦娥四號著陸器GNC系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師程銘說：“看著美妙的落月過程，我們很自豪！” 哪些視覺盛宴值得期待 四臺CMOS相機(jī)：直播“月背”探索新發(fā)現(xiàn) 隨嫦娥四號登月的，還有四臺神秘的小相機(jī)，包括三臺監(jiān)視相機(jī)和一臺降落相機(jī)。這四臺CMOS相機(jī)如同一個(gè)小團(tuán)隊(duì)，在嫦娥四號到達(dá)月面前，便做好了全方位的分工和準(zhǔn)備，拍的拍，攝的攝，錄的錄，傳的傳，隨時(shí)待令為全球開啟一場“月背”探索現(xiàn)場的視覺盛宴。 降落相機(jī)——“直播”降落全程。嫦娥四號著陸器將要降落在月球背面的艾特肯盆地（SPA盆地），SPA盆地是月球上規(guī)模最大、最古老的撞擊盆地，對它的研究有可能揭露下月殼甚至上月幔的物質(zhì)狀況，因此它是研究月球深部物質(zhì)組成的重要窗口。降落相機(jī)安置于著陸器的底部艙內(nèi)，在著陸器降落過程中，降落相機(jī)以較高的幀頻進(jìn)行拍照，獲得大量真實(shí)的月球表面信息，直觀地反映月球表面地貌特征和區(qū)域地質(zhì)情況，提升人類對月球的認(rèn)識。 就在昨天，嫦娥四號降落的過程中，降落相機(jī)開機(jī)工作，在下降過程中拍攝了多幅月球背面照片。從昨天傳回的照片看，降落相機(jī)光學(xué)圖像可獲得與人的視覺習(xí)慣相近的月面景觀，其所傳送的圖片生動如實(shí)地描述著陸器降落的全過程，讓人身臨其境。 監(jiān)視相機(jī)——“監(jiān)視”兩器分離。嫦娥四號監(jiān)視相機(jī)共有三臺，主要任務(wù)是對巡視器與著陸器的釋放分離過程進(jìn)行全程監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)兩器解鎖、巡視器駛離連接支架、臍帶電纜脫離、行駛至轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、釋放分離等關(guān)鍵過程的監(jiān)測，提高探測器系統(tǒng)月表活動的展示度。它們也可以為釋放分離過程中每一個(gè)指令的執(zhí)行情況提供直觀的視覺信息，并對下一個(gè)指令的執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)提供評估依據(jù)。巡視器釋放完畢后，裝在著陸器側(cè)面的監(jiān)視相機(jī)可定時(shí)拍攝不同太陽高度角下的月面圖像，并對巡視器月面工作情況進(jìn)行監(jiān)視。 |
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