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去哪裡?怎麽去?怎麽著陸?聊聊嫦娥四號那些事兒

出品:科普中國

製作:航天面面觀

監製:中國科學院電腦網絡資訊中心

2018年12月,我國將在西昌衛星發射中心利用長征三號乙改進型運載火箭發射嫦娥四號的著陸器和巡視器(月球車),對月球背面南極附近的標記肯盆地開展著陸巡視探測,實現人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察。不可否認,嫦娥四號任務將是2018年我國航天領域的最大亮點!不知道有多少航天迷和我一樣期盼著這次發射。

那麽,嫦娥四號落在月球的哪個地方?乘坐什麽“交通工具”?又帶了哪些“行囊”?此次任務有何亮點?……接下來就由我帶大家詳細了解一下嫦娥四號。

去哪裡?人類首次月球背面軟著陸

在過去的半個多世紀裡,人類已經發射了100多個月球探測器,其中有65個月球著陸器,但僅有不載人的環月軌道器和載人的“阿波羅號”看到過月球背面,至今沒有任何一個月球探測器能夠實現在月球背面著陸,目前得到的有關月球背面資訊,都是通過遙感探測和所拍照片獲得的。

2013年12月,“嫦娥三號”成功降落在月球正面雨海北部區域,實現了我國航天器在地外天體的軟著陸,通過月球車實現了月面行走。

作為嫦娥三號探測器的“備份星”,嫦娥四號在設計、製造和性能上,都與嫦娥三號基本相同。剛開始很多專家都認為嫦娥四號還是落到月球正面,覺得這樣比較牢靠,技術風險小,不要節外生枝了。但是嫦娥一號總指揮兼總設計師、“嫦娥”系列月球探測器總指揮兼總設計師顧問葉培健院士主張落到月球背面。

葉院士認為,落到月球背面,如果成功了是一大亮點;如果不成功,因為這是人類第一次,也可以原諒。正面我們已經去過了,輕車熟路,基本沒什麽風險,但憑借著敢創新、敢冒險的精神,提出了著陸在月球背面的方案,經過深入論證和多方案反覆比較,最終決定,讓嫦娥四號著陸在月球背面!

嫦娥四號預著陸區(45°S-46°S,176.4°E-178.8°E)初步選定為月球背面南極-標記肯(SouthPole-Aitken,SPA)盆地內的馮·卡門(VonKármán)撞擊坑內。選擇月球背面接近南極的標記肯盆地著陸,因為這裡是國際關注的熱點,被科學家認為最有可能出科研成果的地方。這裡被認為是太陽系內最大、最古老的撞擊坑,保存了原始月殼的岩石,具有極高的科學研究價值。標記肯盆地是太陽系中已知的最大撞擊構造,是回答關於月球的幾個重要問題的關鍵區域。

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確定交通工具:長征三號乙改進型火箭

嫦娥四號著陸器巡視器組合體將由長征三號乙改進型運載火箭在西昌衛星發射中心發射升空,發射後進入地月轉移軌道。著巡組合體在近月點實施製動,實現月球捕獲,進入100km×100km環月圓軌道。

承擔嫦娥四號發射任務的長征三號乙改進型火箭,是長征三號乙火箭的更新版。它擁有更強的運載能力、更高的入軌精度、更強的發射可靠性、更“人性化”的設計。

帶什麽去?嫦娥四號的“行囊”

目的地確定了,“交通工具”也確定了,38萬公里的非凡旅程,為了降落到月球背面開展研究,航天科技人員不知耗費了多少心血。為了獲得第一手科研數據、實現科學目標,最直接的工具就是有效載荷(有效載荷是指航天器上裝載的為直接實現航天器在軌運行要完成的特定任務的儀器、設備、人員、試驗生物及試件等。)。

根據任務特點及科學目標,科學家們會研製不同儀器設備,嫦娥四號的科學探測任務包括利用月球背面的有利條件開展低頻射電天文觀測、著陸區地質特徵、粒子異塵餘生環境探測、巡視區月表形貌與地質構造調查、月表物質成分和資源勘察、月球次表層結構探測。根據這些科學探測任務目標,嫦娥四號將配置什麽載荷呢?

與嫦娥三號類似,嫦娥四號的著陸器上仍裝有降落相機、地形地貌相機;巡視器上的全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀都被保留。新增載荷則包括,著陸器上,有德國基爾大學的月球中子及異塵餘生劑量探測儀,還有低頻射電頻譜儀;巡視器上,增加了和瑞典合作的中性原子探測儀;同時也去掉了一些載荷,包括著陸器上的月基光學望遠鏡、極紫外相機;巡視器上的粒子激發X射線譜儀。

其中,上面效果圖裡出現的三根大天線就是上面提到的低頻射電頻譜儀,由中科院相關部門研製。預計在20193月左右,嫦娥四號將釋放35米長的接收天線,每根天線都與其他天線成直角,在月球背面開展低頻射電探測。

從嫦娥四號探測器載荷配置來看,可以說國際合作,亮點紛呈,發揮特長,成果共享。相信在以後的深空探測任務中,我們會更加注重國際合作,2018年10月1日,中國工業和資訊化部副部長、國家航天局局長張克儉在第69屆國際宇航大會上宣布,中國願意與各國開展航天合作,將在嫦娥六號的軌道器和著陸器上為國際合作夥伴提供10公斤的載荷。

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除了國際合作載荷外,值得一提的是,國內高校也加入了載荷研製隊伍。2016年9月20日,為期近10個月的“月球探測載荷創意設計征集活動”在北京落下帷幕。來自中科院地質與地球物理所和西安光機所團隊設計的“CCD影像傳感器月塵探測儀”、浙江大學團隊設計的“月衛立方星”、重慶大學團隊設計的月球衛星循環生態系統等三項創意設計獲得一等獎。

此次將登陸月球背面的就是其中的一個創意設計,由教育部深空探測中心牽頭、依托重慶大學聯合28所大學研發的生物科普試驗載荷將一個小型生物圈送上月球,開展相關科學研究。

這次實驗雖然需要克服諸多困難,但意義深遠,它將成為人類首次月面生物實驗,對人類未來在地外星球生存具有重大意義。

怎麽著陸?“鵲橋”牽線搭橋

在環月圓軌道運行期間,嫦娥四號將擇機實施軌道機動,進入100km×15km的橢圓軌道,並擇機在近月點實施動力下降。整個動力下降過程分為6個階段:主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段。

嫦娥四號著陸區為月球背面,相對嫦娥三號著陸區地形起伏程度明顯增加,為了不撞到峭壁,將采取近乎垂直的著陸方式。通俗的講,嫦娥三號相當於在華北平原著陸,嫦娥四號則相當於在崇山峻嶺的雲貴川地區著陸!

著陸器、巡視器組合體在著陸時,今年5月份發射升空並進入使命軌道的“鵲橋號”中繼星就要大顯身手了,它將與地面建立上下行通信鏈路,將拍攝的月面影像傳回地球。

探測器、地球、月球之間將架起一座通信的“橋梁”,鵲橋號,期待你的精彩表現哦!

月球車更新!避免出現“玉兔號”故障

著陸器巡視器組合體落月後,巡視器,也就是月球車將通過轉移機構駛離著陸器到達月球表面。

2013年12月,玉兔號月球車行駛到月面後,它的一舉一動都牽動著38萬公里外那個藍色星球上人們的心。2014年初,玉兔號在進入第二個月夜之前,就出現了電纜短路故障,故障始終未能排除,導致玉兔號月球車不能繼續行進。玉兔號月球車最終在月球上隻累積行駛了約114.8m。按原計劃,玉兔號月球車將在月球背面行駛10公里。

到底是什麽原因導致了電纜短路呢?地面任務團隊為此進行了認真分析,最終將原因認定為裸露在外的電纜發生刮擦,導致短路,最終導致玉兔號月球車不能繼續行進。

在溫差達300攝氏度的月球表面,裸露在外的電纜極易出現故障,如今科研人員吸取這一教訓,對嫦娥四號月球車電纜進行了最小化的裸露改進,還針對鉤掛、摩擦等應用場景做了上千次試驗,提升了月球車整體可靠性。

探月工程嫦娥四號任務月球車全球征名活動啟動儀式在北京舉行。圖為中國工程院院士、探月工程總設計師吳偉仁介紹嫦娥四號任務月球車的相關情況。1:1比例模型。真實的月球車就這麽大。(圖片來源:新華社)

2018年8月15日,探月工程嫦娥四號任務月球車全球征名活動啟動儀式在北京舉行,月球車1:1比例模型也同時亮相。據了解,嫦娥三號著陸器和月球車設計壽命分別為1年和3個月,但實際上著陸器目前仍在運行,如今的嫦娥四號月球車設計壽命也是3個月,運行時間預計將比玉兔號更長。

嫦娥四號月球車周身銀光閃閃,耀眼奪目,實際上它外麵包裹的這一層“白銀聖衣”是為了反射月球白晝的強光,降低晝夜溫差,同時阻擋宇宙中各種高能粒子的異塵餘生,來支持和保護月球車搭載的多套科學探測儀器。據了解,月球車採用的是在月晝時工作、月夜時休眠的作息模式。在經歷了月夜期間極低的溫度後,可伸縮的太陽能電池帆板在夜晚自動收起來,搭成一個小房子的樣子,將儀器設備都包在裡面。從而保護各種儀器不會被凍壞,確保月球車有剩餘電力自動甦醒。

此外,月球車後方翹起來的兩根天線是測月雷達載荷,它有兩個頻段,用以實現月表之下100m之內的穿透成像,可以探測出國際上第一幅月背剖面圖,有望在國際上建立集地形地貌、淺層結構、物質成分於一體的綜合地質剖面和演化模型,獲得對月球早期演化歷史的新認知。

為了保證儀器設備在月夜零下180℃的環境中不被凍壞,月球車還配置了同位素熱源,為儀器設備供熱。

通過前面的介紹,相信大家對嫦娥四號任務已經有了詳細的了解,接下來要做的就是關注嫦娥四號的發射、著陸,更多精彩,敬請期待!

(本文得標明來源的圖片均已獲得授權)

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