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人類首次,!“嫦娥四號”落月背都蘊藏了哪些技術(shù)

2019-01-05
關(guān)鍵詞: 嫦娥四號 航天器 月球

1月3日上午10點26分,“嫦娥四號”探測器成功著陸在月球背面,,并通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖,,揭開了古老月背的神秘面紗,。

此次任務(wù)實現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸,,首次月背與地球的中繼通信,開啟了人類月球探測新篇章,。

嫦娥四號落月難在哪,?

這是人類第一次!1月3日,,中國研制的嫦娥四號探測器成功降落在月球背面,,實現(xiàn)了人類歷史上與月球背面的第一次“親密接觸”。

之所以月球背面如此人際罕至,,就在于這里的特殊環(huán)境讓探測器登陸難度極大增加,。

相比于六年前嫦娥三號的那次月球正面著陸,嫦娥四號這次堪稱“盲降”,。

嫦娥四號成功踏足月球,,實現(xiàn)了在月球背面的軟著陸,這是中國航天創(chuàng)造的又一個人類第一次,,任務(wù)的成功在為航天強國建設(shè)踏出重要一步的同時,,也再次把我國航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)提升到了一個新的高度,。

下面科學大院這篇科普解讀了,,它對中國探月、乃至整個人類探月,,到底有多大意義,。

嫦娥四號著陸月球,十大看點

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新華社發(fā)(國家航天局 供圖)

看點一:為什么選擇探測月球背后,?

地球上每天都有無數(shù)人舉頭望明月,,對著它發(fā)出各式各樣的感慨。但極少有人意識到,,從他們第一次看到月亮至今,,除了月亮“形狀”(月相)的變化,月球表面的“圖案”其實從來沒變過,,甚至最早人類遠祖古猿看到的月亮和今人并無區(qū)別,。

道理很簡單:

通過億萬年的努力,巨大的地球把月球牢牢得實現(xiàn)了潮汐鎖定,,使它圍繞地球一圈的公轉(zhuǎn)周期完全等于自身轉(zhuǎn)動,。從地球上就只能看到當初它被固定朝向地球的一面。雖然由于月球天平動和視差現(xiàn)象可以瞥見一小部分背面,,但絕大部分都是看不到的,。我們稱之為“月球背面”,在一些文藝作品中,,還被藝術(shù)得稱為“月之暗面”,。需要注意的是,,月球背面也能被太陽照到,并不“暗”,,只不過人類看不到而已,。

看點二:“我選擇著陸月球背后,不是因為它簡單,,而是因為它更難”

人類月球探測,、甚至人類航天的巔峰就是大名鼎鼎的阿波羅登月工程,它留下了載入史冊的三句話:

肯尼迪總統(tǒng)說過兩句:“我們要在這個十年結(jié)束前,,把宇航員送上月球,,再安全送回來”,“我們選擇登月,,不是因為它簡單,,而是因為它很難”。

經(jīng)過無數(shù)航天人的努力,,終于在1969年7月20日,,由阿姆斯特朗說出了最著名的那一句:“這是我的一小步,卻是全人類的一大步”,。

但是,,所有的阿波羅載人任務(wù)、甚至蘇聯(lián)和美國的其他無人著陸月球任務(wù)都集中在月球正面,,對這里人類已經(jīng)了解得非常多?,F(xiàn)在,不僅頂級科學家可以每天用激光精確監(jiān)測地月距離和表面情況,,普通天文愛好者也可以用望遠鏡了解月球正面的每一個月海,、每一座環(huán)形山。阿波羅計劃甚至送了12名宇航員登陸月球正面,、還帶回了382千克的單體樣本,。

之所以一直探測正面、在正面著陸,,卻從不去背面,,一個重要原因就是背面著陸的難度大大難于正面。

因為蘇美太空競賽的走向逐漸變成“耗資不菲但收獲有限”,,二者先后放棄了月球探測,。也給人類的月球探測留下了一個大挑戰(zhàn):誰能成功著陸月球背面?我們要因為難,,就不去了嗎,?

嫦娥四號做出了回答:“我選擇著陸月球背后,不是因為它簡單,,而是因為它更難”,。

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新華社發(fā)(國家航天局 供圖)

看點三:月球背后探測會給科研界帶來什么,?

直接劃重點:

a. 月球背面幾乎全是環(huán)形山/隕石坑(97.5%),,比正面多得多(69%),,形成原因和目前的情況只有理論解釋,缺乏實地驗證,;

b. 月球背面南極-艾特肯盆地,,是太陽系第二大超級隕石坑,早在1998年,,NASA的月球勘探者號就發(fā)現(xiàn)這里存在水冰,,而且更接近月球最原始的情況;

c. 嫦娥四號實際著陸地點位于該區(qū)域中部的馮·卡門環(huán)形山,,它以錢學森的恩師的名字命名,。這里經(jīng)過了強烈碰撞,極可能曾經(jīng)被熔巖淹沒,,各類物質(zhì)含量豐富,,或許留有月幔最原始的成分,保留了月球最深層的秘密,;

d. “月球上氦三能量開發(fā)可供人類能源需求XX萬/億年”的說法,,相信大家已經(jīng)看過很多了,而理論上月球背面環(huán)境更容易產(chǎn)生氦三,;

e. 月球背面有天然的“屏蔽”,,沒有任何來自地球的輻射干擾,這意味著它有著無比完美的安靜環(huán)境做天文觀測,;

f. 月球背面的月壤也極有可能與正面大不相同,。

以上,基本意味著第一個實現(xiàn)月球背面著陸的探測器將會收獲眾多獨特的科研成果,,對世界航天和天文界都將是巨大的貢獻,。

看點四:月球擋住了,信號咋辦,?

既然月球擋住了背面,,就要布置一顆信號中繼衛(wèi)星,為著陸器做準備和全程信號支持,。從上個世紀六十年代開始,,NASA就一直在提設(shè)想、論證,,但從未實踐過,。目前,中國已經(jīng)完成了這一任務(wù):早在今年5月份,,就成功部署了“鵲橋號”中繼衛(wèi)星,,在月球背后6.5萬公里之外的地月拉格朗日二點附近Halo軌道簇上運行,。

這是人類歷史上首個月球信號中繼衛(wèi)星,架起了地球和月球背后的“鵲橋”,,它將全程見證嫦娥四號的探測過程,,也將負責嫦娥四號的全程通信。

看點五:著陸區(qū)域到底有多復(fù)雜,?

月球背面隕石坑密布,、尤其南極-艾特肯盆地的地形和高程圖異常復(fù)雜,對各種配合著陸傳感器的系統(tǒng)要求很高,。尤其是高度方面的變化速度超過了以往任何一次著陸,,最大落差高達16.1千米。馮·卡門環(huán)形山屬于其中一塊核心區(qū)域,,對嫦娥四號而言,,相當于翻越崇山峻嶺來找它。

如果把此前探測器在月球正面的著陸情形描述為小船輕輕劃過湖面,,嫦娥四號在月球背面的著陸就好比在風暴洋中沖浪,,難度不可同日而語。

為了成功著陸并釋放月球車探測,,所克服的難度和意義可想而知,。

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新華社記者 金立旺 攝

看點六:為什么四天就到月球,還遲遲不著陸,?

嫦娥四號早在12月8日就出發(fā),,使用了我國目前深空探測的最強火箭長三乙改III型。3.8噸重的它僅花了4天14時16分就完成了發(fā)射,、軌道校正,、近月制動、進入工作軌道,,是四次主要任務(wù)中最短的一個,。但依然等到了2019年1月3日才進行著陸任務(wù)。

為什么需要這么長的時間呢,?

是為了等待時機,。

月球被潮汐鎖定,自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相同,,導(dǎo)致它的一天就是一年,,一半是黑夜一半是白天。換做地球時間就是近14天交替的白天黑夜,。在進入月球軌道后,,嫦娥四號一邊測試儀器,一邊等待月球進入白天,畢竟它的主要能量來源是太陽能,。

另一方面,,由于降落地點處于南極附近,它需要逐漸調(diào)整軌道傾角才能經(jīng)過這里,,比較耗時,。同時,也要等待太陽光照在月球的角度達到理想的狀態(tài),,這樣所有的地貌都會有比較清晰的陰影,,最大程度輔助光學設(shè)備選擇并定位著陸地點,。

網(wǎng)上有說法是,,阿波羅登月的選擇時間參考了中國的傳統(tǒng)歷法——農(nóng)歷,某種程度上,,這個說法挺有道理,,因為農(nóng)歷與月相一致,月相又說明了月球上太陽光照情況,。這是登月設(shè)備的重要參考,。

看點七:嫦娥四號著陸怎么“走位”?

由于降落的難度大大增加,,嫦娥四號的著陸方式也將作出改動,。由于著陸地的獨特地貌特點,它的避障需求遠高于其他著陸任務(wù),。

可以看出,,在進入準備階段后,嫦娥四號的軌跡不降反升,,而后進入一個幾乎要實現(xiàn)長距離垂直下降過程,,期間完成避障、懸停,、精避障,、緩速降落全過程,難度極大,。這么一個復(fù)雜的“走位”,,對自主導(dǎo)航制導(dǎo)與控制要求極高。

看點八:嫦娥四號的能量怎么來,?

采用太陽能電池板和充電電池組合,,是很多月球探測器的基本配備。在(月球)白天,,月球上太陽能極其充沛,,太陽能電池板充電,剩余電能儲蓄下來,所有系統(tǒng)正常工作,。晚上能量不足,,只能冬眠或降低工作強度。我國的嫦娥三號和玉兔號任務(wù),,以及蘇聯(lián),、美國諸多無人探測器,大都采用這個方案,。

2013年12月2日發(fā)射的嫦娥三號和玉兔號月球車,,它們能量主要依靠太陽能電池板(圖源:中國航天科技集團)

為應(yīng)對夜晚過低的溫度,探測器還需要攜帶放射性同位素元素钚-238,,它的半衰期長達88年,,會源源不斷釋放熱量,做保溫用,,嫦娥三號即是如此,。與此同時,它的熱量也可以收集起來用以發(fā)電,,這就是大名鼎鼎的“核電池”,,太陽系的五個使者:先鋒十號、先鋒十一號,、旅行者一號,、旅行者二號、新視野號,,皆是依靠它實現(xiàn)了深空之旅,。

而在嫦娥四號上,中國將首次實驗自己的“核電池”技術(shù),。盡管它不是最主要的能量來源,,但這個突破已經(jīng)意義重大。

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新華社記者 金立旺 攝

看點九:逆襲的備份,!

嫦娥四號原本是嫦娥三號的備份版本,,但毫無疑問,目前它的科學和工程目標都大大超出了前者,。在嫦娥四號動力下降過程中,,它需要鵲橋號配合完成全部動作,這就要求對星上傳感器和核心降落輔助設(shè)備進行全新升級,。

基于過往經(jīng)驗,,嫦娥四號對月球車進行了一定改進,以期延長使用壽命,,擴大科研成果,。太陽能帆板系統(tǒng)也升級為高效三結(jié)砷化鎵材料,,能量來源更強勁。對嫦娥三號已有的測月雷達等設(shè)備進行升級,。

此外,,在科學儀器上,為充分利用月球背后的“干凈”天文觀測條件,,它新增了探測中子及輻射劑量,、低頻射電和中性原子等一系列設(shè)備。除了科研,,它還攜帶了一個以科普為主要目標的月面微型生態(tài)圈,,里面有幾種生物,也是人類首次進行月面生物實驗,。

看點十:國際合作大突破

嫦娥探月工程作為中國最具標志性大型科學研究項目之一,,在擴展中國航天國際影響力、甚至直接促進國際合作方面的意義對我國而言是無可取代的,,而嫦娥四號任務(wù)(本質(zhì)上鵲橋號中繼衛(wèi)星也屬于嫦娥四號任務(wù)的一部分)更是為中國航天邁出了突破性的一步,。

在科學方面,,低射頻電探測儀是與荷蘭合作,,月表中子與輻射劑量探測儀是與德國合作,中性原子探測儀是和瑞典合作,,月球小型光學成像探測儀是與沙特合作,。

在任務(wù)成功后,嫦娥四號收集來的一手科研數(shù)據(jù)將會對外全部公開,,歡迎全世界科學家共同研究,。一言以蔽之:嫦娥工程是近些年中國航天在國際上最大的一張名片,造成廣泛影響的同時,,也在行業(yè)內(nèi)外得到了很多關(guān)注,,是我國航天對外開放吸引合作的最佳平臺。

因而,,眼前的嫦娥四號,,不僅是中國的,更是全世界的,。它的科學和工程意義,,對整個人類而言都是重大突破。(來源:人民日報)


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