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        吳學英:人類首次月球背面軟著陸探測之旅——嫦娥四號任務

         日期:2019-05-31   來源:深圳市民文化大講堂

          2018年12月8日,嫦娥四號探測器在我國西昌衛星發射中心成功發射。 2019年1月3日,嫦娥四號成功著陸在月球背面,月球車“玉兔二號”到達月面開始巡視探測,目前已經探測約200米的距離。嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器完成兩器互拍,標志著嫦娥四號任務圓滿成功。

          

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          一、月球知多少

          月球是離地球最近的一個地外天體,也是地球唯一的天然衛星。月球的半徑(1738km)與重力約是地球的六分之一,兩者相距約38萬公里;月球表面遍布著許多撞擊坑;月球本身不發光靠反射太陽光,其自轉軸和公轉軸夾角約為5度,有趣的是,月球的自轉周期和公轉周期是一樣的,轉一圈的時間大約是地球上的1個月。

          地球上始終只能看到月球的正面,永遠看不到背面,這跟天文學所講的“潮汐鎖定”現象有關。“潮汐鎖定”的天體,繞自身的軸旋轉一圈跟繞著同伴公轉一圈的時間是一樣的,同步自轉導致它會用固定不變的一面朝向同伴,所以,從地球上永遠只看到月球的一面。實際上,宇宙中的“潮汐鎖定”是個很普遍的現象,矮行星冥王星和它的衛星卡戎是最好的“潮汐鎖定”例子。

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          月球上的地形地貌大致分為月海和高地。月海相對平坦,最大坡度約為17°(一般為0-10°),標準方差為3.7°,環形坑就是典型的月海;高地起伏更大,最大坡度約為34°(一般為0-23°),標準方差為4.5-6°,甚至更高。如環形山上面部分會有一定坡度,坑中間相對平緩。月球上雖然沒有空氣,但它會不停受著宇宙高能粒子,特別是太陽風(太陽噴射出來的高能粒子)的風化作用,使得形成時間越久的坑越來越平緩。同時,月球表面覆蓋有1~10米左右不等的“月壤”,物理形態上類似火山灰的物質。

          

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          月表溫差極大,白天溫度高達100多,夜晚溫度又低到零下190多度。

          

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          二、國際探月潮

          月球是人類探測地外天體的首選目標,從1958年至今發射的深空探測器多達200余個,其中的月球探測器有100多個。人類探測月球大致分為三個階段:高潮期(1958-1976年),寧靜期(1977-1988年),復蘇期(1989年至今)。

          

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          1969年7月21日,人類實現了載人登月

          探測月球主要有五種方式:①硬著陸與飛越;②軟著陸探測與自動巡視勘查;③環繞探測;④樣品自動采樣返回;⑤載人登月探測。

          目前,人類已開展無人月球探測107次、成功53次,開展載人登月7次、成功6次。

          1959年1月,蘇聯的月球1號探測器從距月球6000千米處飛過,首次探訪月球;1959年10月,蘇聯的月球-3號在飛過月球時,拍攝到月球背面的第一張照片。

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          美國在1961-1972年間,進行的一系列載人登月飛行任務中,6次成功著陸月球并返回,共有12名宇航員踏上月球。

          

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          1969年7月20日,人類首次登月

          “復蘇期”所發射的主要探測器:

          1989年10月18日,美國發射木星探測器“伽利略號”對月球進行了飛越探測;

          1990年1月24日,日本發射“飛天”月球技術試驗探測器,進行了飛越探測;

          1994年1月25日,美國發射“克萊門汀”月球軌道探測器;

          1998年1月7日,美國發射“月球勘查者”軌道探測器,發現月球上可能有水;

          2003年9月27日,ESA發射“SMART-1”技術試驗探測器,成功實現環月探測;

          2007年09月14日,日本發射SELENE月球軌道探測器;

          2007年10月24日,中國發射嫦娥一號月球軌道探測器;

          2008年10月22日,印度發射月船一號月球探測器;

          2009年06月18日,美國發射月球偵察軌道器(LRO);

          2010年10月01日,中國發射嫦娥二號;

          2011年09月10日,美國NASA發射兩個小型“圣杯號”月球探測器;

          2013年09月07日,美國NASA發射了“月球大氣與塵埃環境探測器”;

          2013年12月02日,中國發射嫦娥三號,并于14號成功著陸;

          2014年10月24日,中國發射嫦娥五號飛行試驗器,驗證高速再入返回技術。

          2018年12月8日,中國發射嫦娥四號飛探測器,首次著陸月球背面。

          

          三、嫦娥探月路

          我國的探月工程分三步:“繞、落、回”。這三個步驟,前者是后者的基礎,后者是前者的跨越。

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          探月是高風險活動,國際上完全成功完成任務的不到一半。我國雖然起步晚,但起點高;投入少,而產出多。我國已實施的5次探月任務都成功告捷。

          2007年嫦娥一號衛星,實現繞月探測;

          2010年嫦娥二號衛星,實現先導驗證和多任務多目標探測,也是距離我們最遠的一顆中國衛星;

          2013年嫦娥三號探測器,實現我國首次和世界第三次月球軟著陸和巡視勘察探測;

          2014年嫦娥五號飛行試驗器,實現高速再入返回試驗驗證;

          2018年嫦娥四號探測器,實現月背軟著陸和巡視勘察探測。

          一期工程——“繞”

          嫦娥一號工程實現了我國從地球走向月球,并對月球進行科學探測。其科學目標是獲取月球表面三維影像,分析月球表面元素含量和物質類型的成分,探測月壤特性,探測地月空間環境。

          

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          嫦娥一號驗證了地-月飛行軌道設計技術、地-月遠距離測控與通信技術、關鍵變軌控制技術等關鍵技術,使我國初步掌握了繞月探測的基本技術。嫦娥一號衛星繞月期間發回了1.4TB原始科學數據,取得了以月球影像圖為代表的大量科學成果。

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          我國第一張的月面的全影像圖

          二期工程——“落”

          嫦娥二號獲得了多項成果:成功獲取備選著陸區1.5m和全月面7m分辨率成像數據;首次開展了日地拉格朗日L2點(兩個天體之間的平衡力點,理論上衛星能在這個點保持靜止)的探測試驗,并且飛越當時距離地球約700萬千米的圖塔蒂斯小行星并對其成像,國際上首次實現對該小行星近距離探測。

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          全月面7m分辨率成像數據

          嫦娥三號探測器由著陸器和巡視器組成。探測器經過地月轉移段、環月段和動力下降段的飛行,在月表虹灣地區實施軟著陸,兩器進而分離成兩個獨立的探測器,各自展開月面探測工作。

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          嫦娥三號獲得了首幅月球剖面圖——“嫦娥三號”開展了著陸區月壤內部與月殼淺層結構探測,是國際上首幅月球地質剖面圖。首次揭示月球雨海區的火山演化歷史;在月基天文觀測——月基光學望遠鏡在月面上對多個天區實現近紫外天文觀測;在月球上看地球——通過極紫外相機,人們在月面上對地球周圍15個地球半徑的大視場等離子體層進行極紫外觀測。

          嫦娥四號工程實現人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察;實現首次地月L2點中繼星對地對月的測控、數傳中繼。其科學目標:月基低頻射電天文觀測與研究;月球背面巡視區形貌和礦物組份探測與研究;月球背面巡視區淺層結構探測與研究。

          嫦娥四號探測器系統包括著陸器、巡視器和中繼星。分兩次發射:中繼星單獨發射,進入地月系L2平動點使命軌道;“著巡”組合體發射,著陸至月球背面,在中繼星中繼鏈路的支持下,兩器分離并分別開展月面原位與巡視探測。

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          月球背面分布著大量高地,遍布著撞擊坑和環形山。背面南部分布著著名的南極-艾特肯盆地(South-PoleAitkenBasin,SPA),中心緯度40°S~60°S,中心經度180°附近,直徑2000km~2600km,是太陽系中規模最大、最古老的撞擊盆地,具有極高的科學研究價值。

          月球背面由于其特殊位置,其特點有:

          1)屏蔽來自地球的各類無線電信號,是對宇宙電磁波譜探測的最佳地點,是理想探測環境;

          2)具有月球最大、最深、最古老的盆地-SPA盆地,保存了月球的早期信息,對于研究月球和地月系的初期歷史和演化、深層次的構造和成分具有重要意義;

          3)SPA盆地的形成也是目前爭論的科學問題。

          通過嫦娥四號任務的實施可進一步增加人類對月球背面的了解,與月球正面的探測結果進行一體化綜合分析與研究,將可全面了解月球。

          嫦娥四號工程主要有兩個難點:復雜地形的著陸和中繼通信。

          第一個,復雜地形的著陸。

          月球背面的南極—艾特肯盆地,地形起伏高達7公里,撞擊坑多,對著陸安全造成很大影響。滿足安全著陸就要解決兩個問題:高精準著陸,即需要精細化的軌道設計與控制,采用“傾角+相位”聯合修正的最優算法,實現著陸初始點位置和時刻的精細控制,優化導航算法,實現“定點定時”著陸;高可靠著陸,即優化動力下降策略,合理設計分段控制目標和導航修正策略,避免航跡地形起伏的影響;提高自主能力,系統自主故障診斷與重構,自主建立著陸后工作狀態。

          第二個,全時中繼覆蓋。

          地月L2點軌道設計基于日、地、月關系,優化平動點軌道參數,實現全時中繼覆蓋;軌道維持策略設計基于測軌和軌控精度,優化軌道維持策略,減少速度增量需求。采用再生轉發體制,獲得返向鏈路信道編碼增益,提高數據中繼能力。采用4.2m傘狀天線技術,提高前/返向鏈路信道增益;優化幀同步容錯策略,提高低信噪比解調能力;多通道+多模式+多速率,對月雙目標同時可靠中繼。

          嫦娥四號的發射飛行過程:

          2018年5月21日,在西昌衛星發射中心采用長征四號火箭成功發射中繼星“鵲橋”;

          2018年6月14日,中繼星進入地-月L2點使命軌道;

          2018年12月8日,在西昌衛星發射中心采用長征三號乙火箭發射著陸器和“玉兔二號”巡視器。

          2019年1月3日10時14分35秒,開始實施動力下降,于10時26分2秒,觸月敏感器觸發,標志著陸器安全著陸到月面。

          近距離成像:

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          著陸器的監視相機拍攝的人類第一張近距離月球背面圖像

          

          兩器分離:

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          玉兔二號移動到月面影像

          

          兩器互拍:

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        著陸器地形地貌相機對巡視器成像 巡視器全景相機對著陸器成像

          環拍成像:

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          著陸器地形地貌相機對著陸點周圍進行360°環拍

          月面巡視:截至目前,玉兔二號共計移動約190m。

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          科學探測:

          1)月基低頻射電天文觀測研究:低頻射電頻譜儀在月球背面首次開展低頻射電天文觀測。

          2)月球背面巡視區形貌和礦物組份探測與研究:紅外光譜成像儀。

          3) 月球背面巡視區淺層結構探測與研究。

          4)地月空間環境探測。

          嫦娥四號探測器近日有了重大科學發現。5月15日,《自然》雜志發布了有關月球探測的一篇文章,來自中國的科學家團隊利用嫦娥四號就位光譜探測數據,證實了月幔富含橄欖石推論的正確性,為月幔物質組成提供了直接證據。

          2019年2月4日,國際天文學聯合會(IAU)批準了嫦娥四號著陸點及其附近5個月球地理實體命名:嫦娥四號著陸點命名為“天河基地”;著陸點周圍呈三角形排列的三個環形坑,分別命名為“織女”、“河鼓”和“天津”;著陸點所在馮卡門坑內的中央峰命名為“泰山”。這些充分反映了我國在月球探測及其科學研究工作上所取得的成績,也體現了綜合實力和科學技術發展水平。

          嫦娥四號任務的圓滿成功,首次實現了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察,地球與月球背面的測控通信,在月球背面留下了世界探月史上的第一行足跡,揭開了古老月背的神秘面紗,開啟了人類探索宇宙奧秘的新篇章。為人類和平利用太空、推動構建人類命運共同體貢獻了中國智慧、中國方案、中國力量。

          三期工程——“回”

          不久的將來,我國將發射嫦娥五號,實現采樣返回任務。未來還要實現月球極區探測,為建立月球科研站進行前期技術驗證。