【新民晚報·新民網】2018年是我國航天發射的大年，進入12月，中國航天又迎來一次高光時刻。今天凌晨，我國嫦娥四號月球探測器在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭發射升空。這一次，“四姑娘”肩負的使命更艱巨、也更具創新——將實現世界首次月球背面軟著陸和巡視探測。
通過之前發射的繞月探測器，人類了解到，月球背面與正面存在著很多不同。去月球背面看看，成為不少科學家夢寐以求卻始終無法實現的夢想。月球背面充滿著未知，如何讓嫦娥四號安全著陸、如何保證在太空環境下儀器設備處於合適的工作溫度、如何探測月面的礦物成分？這一次，來自中國科學院上海技術物理研究所、上海天文台、上海矽酸鹽研究所、上海光學精密機械研究所和上海有機化學研究所的科研人用一件件“上海製造”給出了答案。
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影片來源：中科院上海技物所
雷射“慧眼”識別安全降落區
相較其“姐姐”們，“四姑娘”著陸區域的條件更為複雜、地形起伏變化更劇烈，僅標記肯地區較為平坦，找到合適的登陸點難度陡然提升。能否順利實現“標記肯登陸”，中科院上海技物所和中科院上海光機所合作研製的雷射測距敏感器和雷射三維成像敏感器將發揮至關重要的作用。
雷射測距敏感器是著陸器上最早開機的設備之一，在嫦娥四號飛入月球表面15公里軌道以後，全程測量著陸器與月面的距離，為著陸器姿軌控分系統提供從動力下降段至軟著陸段的高精度測距數據。主任設計師程鵬飛告訴記者，雷射測距敏感器採用脈衝法測量距離。“通過向月面發射雷射光脈衝，測量月面回波脈衝信號與雷射發射脈衝信號的時間間隔，以此獲得嫦娥四號著陸器相對於月面的精確距離。”
圖說：雷射測距敏感器 中科院上海技物所供圖
2016年4月，程鵬飛接到了重新研製雷射測距敏感器的任務，立即和團隊成員投入研發。“在月球背面著陸意味著它需要具備更多自主判斷的能力。我國5月發射了‘鵲橋’中繼衛星，將為探測器和地球‘牽線搭橋’。”程鵬飛介紹，“嫦娥三號可以將測距數據直接傳回地球，更新率是2秒，可由於嫦娥四號中繼星的傳輸延時和傳輸帶寬有限，測距數據傳回地球的更新率要慢整整十倍：23秒！它要更多靠自己了。”經過1年多的攻堅，程鵬飛和團隊採用了回波信號自動增益控制、多個測距通道複合交接班、百億分之一秒高分辨率時間間隔測量等關鍵技術，使探測距離超過40公里，距離測量精度優於20厘米。
解決了嫦娥四號降落高度的問題，還要處理“落在哪兒”的難題。雷射三維成像敏感器就成了“四姑娘”的“眼睛”——帶她避開陡峭的隕石坑和大石塊，確定安全著陸區。
嫦娥四號雷射三維成像敏感器是嫦娥三號的備份產品，“生產日期”是2013年9月，在嫦娥三號任務完成後轉為執行嫦娥四號任務。“在‘保存期限’裡，保證它‘取之能用’是我們的任務。”雷射三維成像敏感器主管設計師李銘說，“我們每半年會為它做一次‘體檢’，確保產品性能指標符合要求，安全可靠。”
據介紹，探測器在距離月面100米高度時，著陸器懸停，雷射三維成像敏感器獲取月面著陸區域的三維影像，通過計算分析選擇適合安全軟著陸的區域。“雷射三維成像敏感器能在250毫秒內成像，著陸器在1秒內分析三維影像數據並選取安全著陸區。在懸停的過程中，它一共有三次做出判斷的機會。”李銘說，“雷射三維影像高程精度優於5厘米，相比地球上的智能駕駛雷射雷達還要精準。”
紅外“相機”照出月球資訊
造訪“新地標”，不“拍”個夠怎麽行？順利抵達月球背面後，中科院上海技物所另一“神器”將大顯身手。紅外成像光譜儀是月球車上配備的有效載荷，它具備可見近紅外波段的光譜成像和短波紅外譜段的光譜探測功能，在月球車的輔助下可以獲取月表指定位置的精細光譜資訊。
圖說：紅外成像光譜儀地面驗證件異塵餘生標定實驗 新民晚報記者 郜陽攝
正如每個人的指紋和虹膜千差萬別，月球物質成分所呈現的光譜特性也不一樣，可以幫助科學家識別月面巡視區礦物成分。“和嫦娥三號相比，嫦娥四號巡視器紅外成像光譜儀單次獲取月表光譜資訊的時間周期由25分鐘縮短了一半，提升了儀器效率，也提高了儀器的定量化水準。”紅外成像光譜儀主任設計師李春來介紹。
巡視器與著陸器分離抵達指定科學考察點後，紅外成像光譜儀會擇機工作。探測模式下，儀器開機並獲取科學數據；而定標模式則是利用太陽作為定標源，將定標漫射板置於定標位置時，監測儀器狀態。李春來介紹，紅外成像光譜儀重不到6公斤，在工作時能適應-20至+55攝氏度的溫度環境，是一台高性能、輕小型、高集成的儀器。其綜合性能處於國際先進水準。
“天馬”實時找出“鵲橋”位置
“四姑娘”將飛往月球並著落在月球背面進行探測。為實現與地面站的通信，科學家們在太空裡“布”了一個通訊站——中繼星“鵲橋”，目前已成功實現在地月L2使命軌道飛行。此次，上海65米口徑的天馬望遠鏡，再次與北京密雲站、雲南昆明站、烏魯木齊南山站的射電望遠鏡攜手組成甚長基線干涉測量（VLBI）網——其測量精度或測量分辨率等效於口徑3000多公里的“超級望遠鏡”。中科院上海天文台等部門將共同為嫦娥四號探測器和中繼星測軌定位，為其保駕護航。
作為現代天文觀測中分辨本領最高的觀測手段之一，VLBI各個觀測單元之間不需要電的連接，而是採用獨立本振技術，通過聯合數台小望遠鏡來達到一台大型望遠鏡的觀測效果。
圖說：天馬望遠鏡 中科院上海天文台供圖
自中繼星發射之日起，中科院上海天文台就啟動了對它的實時觀測，確保其順利飛抵目標軌。中繼星在在地月L2 軌道飛行期間，天馬射電望遠鏡還承擔了中繼星天線在軌指向標定工作，目前標定工作進展順利。
“我們通過接收衛星信號、宇宙射電源互相交叉觀測的校準，並對電離層等誤差予以修正，可以精準定位其空間位置。”嫦娥四號VLBI測軌分系統總指揮洪曉瑜介紹。從射電望遠鏡接收數據，到位於佘山科技園的指揮中心處理、計算出結果，只需不到1分鐘——比嫦娥一號、二號時的速率提升了十多倍！
此次任務中，為縮短數據傳遞和處理周期、實現實時觀測和處理，中科院上海天文台還採用了基於數字化采集、記錄和高速網絡數據傳輸的實時VLBI (e-VLBI)技術。“目前，實時性指標優於40秒、測量精度指標優於3納秒。”洪曉瑜表示。
在“四姑娘”從地球飛往月球的路上，上海天文台的科研人員們還將通過VLBI網及時看清她的軌跡，並預報她後續軌道，為其“導航”，確保她能順利抵達月球預定軌道，並安全軟著陸月球背面。
裁剪各式溫控“外衣”
從地球出發到月球“做客”，嫦娥四號所處的超高真空空間環境可不比“家”裡來得舒服——朝向太陽的表面酷熱難當，而背向太陽的表面則異常寒冷。要讓儀器設備表面溫度處於正常工作狀態，就需要在設備外表面使用不同太陽吸收率和熱異塵餘生率的塗層來調節其熱平衡溫度。中科院上海矽酸鹽所和中科院上海有機所的科研人員們就為“四姑娘”備了各式各樣的“外衣”，讓她從容應對各種溫度的挑戰。
圖說：嫦娥四號著落器7500N發動機高溫多層隔熱材料 中科院上海矽酸鹽所供圖
“四姑娘”從15公里高度降至月球表面的720秒時間裡，變推力發動機工作期間燃燒室和噴管的溫度會迅速升高，上海矽酸鹽所特種無機塗層重點實驗室的於雲研究員就為此“裁剪”了一條“公主裙”。這條‘裙子’實際是一道高溫隔熱屏，在發動機與周圍的電子元器件之間形成了一道屏障，有效地減小了發動機工作對探測器本體溫度的影響。
月球表面晝夜溫差極大，溫度最低時可達零下180℃，最高可超過150℃，可探頭等單機的運行溫度一般在-40℃至50℃之間。一旦超出正常的溫度範圍就會造成單機的功能失效甚至損壞。“我們為相關設備量身定做了一套‘金燦燦’的‘外套’，它可以雙向隔熱，外部高溫時候熱量不往裡傳，外部寒冷時候裡面熱量不往外漏。”
不僅如此，上海矽酸鹽所的科研人員還讓“四姑娘”塗上了“防曬霜”——低吸收、高發射的熱孔塗層。這些塗層具備溫控性能好、耐空間環境性強、均勻性優等特點，保證了這些機構中的部件、電機正常的工作溫度水準，為巡視探測器在月面巡視勘察、機械臂的正常運轉發揮了重要的作用。
為“四姑娘”補充能量的太陽電池陣也少不了“私人訂製”。在太陽電池陣的接觸支點上，上海矽酸鹽所研發的高摩擦抗冷焊塗層不僅能確保其在經過發射、奔月、著陸、兩器分離等加速和減速環節後仍然穩定可靠，塗層的抗冷焊功能也讓太陽電池陣在經過長時間壓緊收攏狀態後依然“收張自如”。
上海有機所為嫦娥系列衛星研製生產了ERB-2、SR107-ZK等有機熱控塗層，這些塗層同樣為航天器的正常工作溫度環境保駕護航。（新民晚報記者 郜陽）
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