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月背將迎首位地球"旅客" 嫦四與"玉兔"有何不同?

昨日凌晨2時23分,我國嫦娥四號月球探測器在西昌衛星發射中心成功發射,我國第二個月球著陸器和月球車踏上登月征程。發射任務由長征三號乙運載火箭實施。

火箭將嫦娥四號送入地月轉移軌道後,探測器將經過數十天在軌飛行、軌道修正、近月製動、環月飛行等,預計明年1月初著陸月面,擇機釋放巡視器。

嫦娥四號的目的地是月球背面南極-標記肯盆地,新月球車將與“玉兔”號在月球兩面遙遙相對。這將是人類探測器首次在月球背面著陸,在人類從未直接看見的“月之暗面”實施月球探測和天文觀測。

據國防科工局、國家航天局介紹,嫦娥四號任務的工程目標包括兩方面:研製發射月球中繼通信衛星,實現國際首次地月拉格朗日L2點的測控及中繼通信;研製發射月球著陸器和巡視器,實現國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。

嫦娥四號的科學任務,一是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究,二是進行月球背面巡視區形貌、礦物組分及月表淺層結構探測與研究,三是試驗性開展月球背面中子異塵餘生劑量、中性原子等月球環境探測研究。

航天專家龐之浩介紹,在月球背面著陸探測,對研究月球和地球的早期歷史也具有重要價值。

嫦娥四號還承擔了國際合作項目。嫦娥四號任務中,我國與荷蘭、德國、瑞典、沙特開展了4項科學載荷方面的國際合作,搭載了3項由哈爾濱工業大學、中山大學、重慶大學等國內高校研製的科學技術試驗項目。

焦點1

嫦娥四號如何著陸?

5年前,嫦娥三號著陸在月球正面的虹灣。那裡布滿月海玄武岩,地勢較為開闊、平坦,位於大型撞擊坑、月海、高地(山脈)交匯地區,有利於科學勘察目標的選擇。

而嫦娥四號的主著陸區為月球背面南極-標記肯盆地,著陸區面積比虹灣地區小了許多。而且月球背面山峰林立,遍布撞擊坑,很難找出更大、更平坦的地方,嫦娥三號著陸區地形起伏僅800米,而嫦娥四號著陸區起伏達到了6000米。因此,嫦娥四號著陸器,需要具有比嫦娥三號更準確的著陸精度。

由於落月過程地球方向不直接可見,所有資訊傳輸都需要在中繼星“鵲橋”的轉運站下完成。整個落月過程由GNC(製導、導航與控制)系統自主操控,加之回傳畫面的延遲,對地面人員來說,這個過程近乎是“盲降”。

焦點2

為何要去月球背面?

航天科技集團五院專家介紹,月球背面的探測,可以推動月基科學研究的不斷深入。

月球背面沒有來自地球的無線電波的干擾,是進行射電天文觀測的最佳場所,如果能利用這一自然地形架設無線電望遠鏡,就好比把“天文台”搬到了月球背面。嫦娥四號著陸器在月球背面軟著陸後,將開展月基低頻射電天文觀測研究,預期可以獲得一批原創性的科學成果。

月球背面探測,也有助於推動月球資源的研究和開發利用。月球蘊藏著豐富的礦產和能源資源,開發和利用月球資源是人類探測月球的原動力之一。近年來,美國等國家相繼制定了包括月球背面資源調查研究計劃。通過嫦娥四號對著陸區地形地貌、礦物組分、巡視區淺層結構、地幔物質等進行科學探測與研究,將為月球資源的開發利用提供極有價值的第一手資料。

由於月球背面探測的難度,嫦娥四號任務也將助推我國航天和相關學科技術的突破。

據嫦娥四號研製人員介紹,要完成前無古人的月球背面之旅,嫦娥四號面臨幾大技術難點:地月拉格朗日L2平動點軌道精確設計與控制,地月拉格朗日L2點遠距離數據中繼,複雜地形環境下的安全著陸等。

為了突破這些技術難點,我國航天界將實現三個國際首次,即首次月球背面軟著陸和巡視探測、首次月球拉格朗日L2點中繼與探測、首次月基低頻射電天文觀測,以及國內首次實測月夜期間淺層月壤溫度。這一重大科學創新工程的實施,將推動航天技術和其他科學領域相關技術的持續發展。

焦點3

新月球車與“玉兔”有何不同?

今年8月15日,嫦娥四號月球車外觀在北京首次亮相,與“玉兔”恰似孿生姐妹。嫦娥四號月球車總重量約140公斤,是全球迄今重量最小的月球車。

探月工程副總指揮、國家國防科工局探月與航天工程中心主任劉繼忠介紹,嫦娥四號月球車基本繼承了“玉兔”的狀態,但針對月球背面複雜的地形條件、中繼通信新的需求和科學目標實際需要,做了適應性更改和有效載荷配置調整。

工作在月球表面,月球車將面臨多種極端條件的考驗。

2013年12月15日,嫦娥三號著陸器與巡視器分離,“玉兔”抵達月球表面。據中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁介紹,月球環境曾對“玉兔”造成影響,例如月夜極低氣溫導致“玉兔”裸露在外的電纜發生故障。

基於“玉兔號”的任務經驗,嫦娥四號針對其遇到的問題進行了針對性改進。吳偉仁說,嫦娥四號的月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗,同時也盡量減少電纜裸露在外的面積,減少電纜的故障風險。

吳偉仁透露,嫦娥三號著陸器和月球車設計壽命分別為1年和3個月,但最終月球車工作了2年9個月,著陸器目前仍在運行,工作5年狀態依然很好。嫦娥四號月球車設計壽命也是3個月,但預計工作時間將比“玉兔號”更長。

焦點4

“鵲橋”“嫦四”有何關聯?

今年5月21日,“鵲橋”中繼衛星發射升空,也被稱為嫦娥四號任務的先聲。

嫦娥四號探測器包括著陸器和巡視器(即月球車,此前探月工程辦公室曾面向全社會為月球車征名,目前名稱尚未發布),但嫦娥四號系統裡還有一個“信使”——“鵲橋”中繼衛星。

由於嫦娥四號降落在月球背面,始終與地球“背對背”,無法直接與地球通信。為解決通信問題,科學家找到一個能同時“看到”地球和月球的位置——地月拉格朗日L2點(位於地月球心連線上靠近月球的一側,距月球約6.5萬公里),並在這裡部署一顆通信衛星。

“鵲橋”已經於今年5月21日發射升空,目前運行在地月拉格朗日L2點Halo軌道上,是人類歷史上第一顆地球軌道外專用中繼通信衛星。任務中,地球地面和嫦娥四號都先發射信號給“鵲橋號”,再由其轉發給另一方。

■ 揭秘

“月之暗面”:更白更厚更崎嶇

  過去60年,人類共發射了132個左右的月球探測器,包括65個月球著陸器,但僅有不載人的環繞月球軌道器和載人的阿波羅號飛船“看”到過月球背面。主要是由於從地球向月球背面發射通訊信號,會受到月球整體阻擋,地面通信和測控的難題,阻擋了月球背面著陸計劃。

月球總是一面朝向地球

由於月球自轉周期和公轉周期相等,加上被地球潮汐鎖定,地球強大的引力讓月球總是一面朝向地球。

美國航空航天學會會員、“小火箭”聯合會創始人邢強博士告訴記者,約41%月面無法被地球直接觀測到。因為當飛行器飛到月球背面,就難以和地球建立通信,這也是長期以來,人類探測器從未在月球背面著陸的主要原因。

可以說,月球背面對於人類來說,是“秘境中的秘境”。

隨著由中國航天科技集團五院研製的嫦娥四號從西昌出發,人類首次月球背面軟著陸巡視探測的大幕正式拉開。嫦娥四號將第一次觸及月球背面,這也是中國探測器目前到達的最遠的土地。

並非完全看不到月背

據五院科研人員介紹,月球存在著“天秤動”,像鍾擺一樣來回擺動,因此,至少有10%至20%的月球背面的邊緣地帶可以從地球上看到,比如一個跨越1000千米的撞擊盆地——東海。

1959年10月7日,蘇聯“月球三號”探測器傳回月球背面的第一張照片後,月球背面的“真容”就第一次被揭開了。依照這些珍貴的照片資料,蘇聯在1960年11月6出版了第一份月球背面地圖,一年之後,又製作了第一個月球儀,更加清晰地呈現出月球背面的初步特徵。

1965年7月20日,蘇聯“探測器三號”傳送回了25張畫質更好的月球背面照片,可以看到月球背面有一條長數百千米的鏈狀隕石坑。1967年,蘇聯根據這批照片出版了包含4000個新發現的月球背面地形目錄的地圖,同年發布了第一份比例為1:5000000完整的月面圖和修訂後完整的比例為1:10000000月球儀,月球95%的表面都在上面呈現了出來。

人類首次與月背面對面

人類首次與月背面對面是在1968年,美國“阿波羅八號”在進行載人登月任務試驗的時候,宇航員威廉·安德斯首次看到月球背面。他描述說:“月球背面看起來像我在孩提時玩過一段時間的沙堆,它們全都被翻起來,沒有邊界,到處是一些碰撞痕和坑洞”。

從那時開始直到“阿波羅十七號”,宇航員都曾看到過月球的背面。

2010年12月21日,美國國家航空航天局(NASA)的“月球勘測軌道器”拍攝了一組高清月球背面照片,解析度是以往所拍月球背面照片的106倍,所呈現的細節精細程度也創下了歷史紀錄。根據這些最新照片數據,美國宇航局繪製了月球背面數字海拔地形圖,直觀地揭示了月球背面的地形。

如今,人類觀察月背的視角將從太空中變為身臨其境。嫦娥四號將首次實現月球背面軟著陸和巡視勘察,迎接它的將是怎樣的環境呢?

布滿巨坑的崎嶇陸地

據航天科技集團五院專家介紹,乍一看上去,月球背面“面孔”並不漂亮,像是一張“麻子臉”,隕石坑的數量比月球正面要多很多。

月背的“皺紋”也很多,布滿溝壑、峽谷和懸崖,而月球正面則更平坦。月背還有幾處巨大的暗斑,暗斑中的物質與月面普通物質相比有很大不同,這種現象似乎能夠說明,月球背面由於毫無遮攔地暴露在太空裡,因而遭遇了大量天體直接撞擊。經年累月,月球就像一個盾牌,為地球擋住隕石,守護著地球的安全。

月球背面月殼整體比正面更厚,究竟是什麽原因導致月殼厚度不一樣,眾說紛紜。照片顯示,月球背面巨大的隕石坑都呈現出白色,好像從來沒有暗色的熔岩從上面流過。科學家們研究認為,由於月球背面的月殼很厚,熔岩無法溢出,而正面月殼很薄,熔岩很容易破縫流淌在表面,所以顏色比正面要白得多。

此外,月球正面月海很多,而月球背面卻只有3個,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,而背面卻不像正面那麽多。

關鍵一步已經邁出

我們只能看到月球的一邊,但這並不是說另外一面永遠是黑暗的。事實上,當我們看到整個月球正面的時候,即滿月時,它的另一面是黑暗的;而月初月末時,月球背面則是陽光普照。

由於目前還沒有宇航員或月球車登上月球的背面,因此,人們對月球背面詳細情況除了借助照片判斷,其他的知之甚少。而嫦娥四號探測器,為人類逐步揭開月球背面的奧秘邁出了關鍵的一步。

新京報記者 倪偉

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