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『嫦娥四號』為何要落月球背面

中安在線   2019-01-03 14:49:26   來源:北京日報     編輯:朱新水

月球背面著陸地點,大紅圈為南極-艾肯盆地,小紅圈為馮·卡門撞擊坑。

▼與『嫦娥三號』著陸器相比,『嫦娥四號』著陸器增加了3根5米長的低頻射電頻譜儀天線。

『嫦娥四號』月球車外觀設計構型。

經過20多天的太空飛行,『嫦娥四號』很快將著陸於月球背面預選著陸區——月球南極-艾肯盆地內的馮·卡門撞擊坑,成為世界第一個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器。『嫦娥四號』落月探測器是2018年12月8日昇空的,2018年12月12日進入月球軌道。那麼,『嫦娥四號』為什麼要落到月球背面?落到月球背面有哪些困難?

『嫦娥四號』一路奔月宮

『嫦娥四號』整個飛行過程包括發射入軌段、地月轉移段、近月制動段、環月飛行段、環月降軌段、動力下降段,最終著陸到月面。期間,著陸器和巡視器組合體通過『鵲橋』月球中繼星與地面建立上下行通信鏈路。著陸成功後,著陸器將擇機完成巡視器釋放。著陸器、巡視器分別開展科學探測,並通過『鵲橋』將數據傳回地球。

『嫦娥四號』落月探測器昇空後,由於准時發射、准確入軌,原計劃在近月制動前實施的3次軌道中途修正,只於2018年12月9日進行了1次,達到了預期目標。

經過約110小時奔月飛行,2018年12月12日16:45,『嫦娥四號』成功實施了近月制動,順利完成『太空剎車』,被月球捕獲,進入了環月軌道。此前的12月12日16:39,『嫦娥四號』在距月面129千米處成功實施了7500牛發動機點火,約5分鍾後發動機正常關機,『嫦娥四號』順利進入近月點100千米的環月軌道,近月制動獲得圓滿成功。

所謂近月制動就是給高速飛行在地月轉移軌道的航天器減速,使其被月球的引力捕獲,進入環月軌道。『嫦娥四號』經過約110小時飛行後,以10千米/秒左右的速度和月球相遇。此時它與月球的相對速度約為2.4千米/秒。到達制動點時,它需要通過減速發動機反推將速度降下來,制動量約為800米/秒,即將原本2.4千米/秒的相對速度降低到1.6千米/秒左右。『嫦娥四號』的『剎車』力度需要極其精准。如果『剎車重了』,例如每秒的速度多減30米,可能會導致它撞上月球;如果『剎車輕了』,探測器速度過大的話,月球引力也會拉不住它。

有些人可能會問:在環月軌道運行這段時間內探測器都乾什麼了?據悉,『嫦娥四號』落月探測器調整了環月軌道高度和傾角,開展了與『鵲橋』月球中繼星的中繼鏈路在軌測試和導航敏感器在軌測試,以確保『嫦娥四號』最終能進入預定的著陸區,擇機實施月球背面軟著陸。

在月球背面著陸意義大

目前全球已進行過130多次探月活動,包括用探測器撞擊過月球背面,但是從來沒有一個探測器在月球背面進行軟著陸。

通過已發射的大量繞月探測器了解到,月球背面具有不同於月球正面的地質構造,多『山』多『谷』,所以對研究月球和地球的早期歷史具有重要價值。地球上經歷了多次滄海桑田,早期地質歷史的痕跡早已消失殆盡,只能寄望於從月球上仍保存完好的地質記錄中挖掘地球的早期歷史。因此,對月球背面開展形貌、物質組成、月壤和月表淺層結構的就位與巡視綜合探測,可促進對月球早期演化歷史的新認知,對研究地球的早期歷史也有重要價值。

另外,由於被地球潮汐鎖定、月球的自轉與公轉周期相同等原因,在地球上永遠看不到月球的背面,只有約59%的月面能被地球觀測到。所以對天文學研究而言,月球背面是一片難得的寧靜之地。接收遙遠天體發出的射電輻射是研究天體的重要手段,稱為射電觀測。由於這些天體的距離遙遠,電磁信號十分微弱,所以在地球上,日常生產生活的電磁環境會對射電天文觀測產生顯著乾擾,因此天文學家一直希望找到一片完全寧靜的地區,監聽來自宇宙深處的微弱電磁信號。月球背面可屏蔽來自地球的各種無線電乾擾信號,因而在那裡能監測到地面和地球附近的太空無法分辨的電磁信號,研究恆星起源和星雲演化,有望取得重大天文學成果。

  月背著陸『鵲橋』先行

不過,正是由於在地球上永遠看不到月球的背面,所以在月球背面著陸的探測器不能直接和地球站進行無線電通信。為此,我國於2018年6月14日先把『鵲橋』月球中繼星送入地月拉格朗日2點(簡稱地月L2點)的軌道。在這個使命軌道上,『鵲橋』能同時看到地球和月球背面,並具備在1000米/秒高速在軌飛行中,速度控制精度誤差不大於0.02米/秒的超強本領,從而可為在月球背面著陸的『嫦娥四號』與地球站之間提供通信鏈路,傳輸測控通信信號和科學數據。

遵循工程技術上可行、科學上有特色的原則,『嫦娥四號』的著陸區選在月球背面南極-艾肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內,這是因為該撞擊坑具有較高的科學探測價值,且地勢較為平坦,可以同時滿足科學和工程上的要求。對該撞擊坑的著陸和探測,能夠揭示月球形成和演化的一些關鍵問題,在月球科學研究中具有劃時代的意義。『嫦娥四號』將分析該地區的地表特征和地下構造,為了解月球、地球、太陽系演化提供第一手線索。

『嫦娥四號』在月球背面馮·卡門撞擊坑完成軟著陸後,將進行太陽電池翼展開並充電、定向天線展開並指向地球和推進劑鈍化等一系列月面初始化工作。其巡視器與著陸器配合完成巡視器解鎖分離、轉移釋放、駛離等動作,巡視器到達月面。此後,在『鵲橋』月球中繼星的支持下,著陸器開展就位探測,巡視器按照任務整體規劃對探測點逐個進行科學探測,並把探測數據傳回地面。

適應新任務改進多多

『嫦娥四號』任務的工程目標主要有兩個:研制、發射月球中繼通信衛星,實現國際首次地月L2點的測控及中繼通信;研制、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。

其科學目標主要有三個:開展月球背面低頻射電天文觀測與研究;開展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;試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。

作為『嫦娥三號』的備份,『嫦娥四號』仍由著陸器和巡視器組成,但是因為『嫦娥四號』與『嫦娥三號』的科學目標不同,因此兩者所裝載的科學載荷有明顯變化,更換了部分科學載荷,其中最主要的特點是裝載了國際科學載荷。

『嫦娥四號』的著陸方式與工作狀態跟『嫦娥三號』也有很大區別,性能上有很大提昇,這是因為『嫦娥三號』相當於在華北平原著陸,而『嫦娥四號』則相當於在崇山峻嶺的雲貴川地區著陸。

月球正面有較為寬闊的平原,雖然也有許多隕石坑,但即使是坑底也相對平整,所以『嫦娥三號』是以弧形軌跡緩慢著陸。

月球背面的地形很復雜,隕石坑更多,大坑套小坑,地勢更陡峭,山峰林立,很難找出再大一些、平坦一些的地方供『嫦娥四號』安身。由於『嫦娥四號』要在凹凸不平的地方軟著陸,所以需要具有比『嫦娥三號』更准確的著陸精度。為了不撞到峭壁,『嫦娥四號』具備很高的自主導航和避障功能,以便自主尋找地勢相對平坦的地區進行著陸,采取近乎垂直的著陸方式。

『嫦娥三號』在長月夜零下180℃的環境中是不能工作的,而『嫦娥四號』將采取新的能源供給方式——同位素溫差發電與熱電綜合利用技術,以保證其度過寒冷漫長的月夜及正常開展探測工作,在國內首次實測月夜期間淺層月壤的溫度。

『嫦娥四號』的月球車雖與『嫦娥三號』攜帶的『玉兔號』月球車外形和重量一樣,是全球目前重量最小的月球車,但由於要首次在月球背面軟著陸和巡視,因此針對月球背面復雜的地形條件、中繼通信新的需求、極大的溫差和科學目標的實際需要等因素,對『嫦娥四號』月球車進行了適應性更改和有效載荷配置調整,在運動安全、能源供給、科學探測和測控通信等方面均做了特殊的設計。尤其在線路方面進行了設計改進和試驗驗證,使它更強大,既不怕極熱極冷的『廣寒宮』,又能完成更多新任務。

此外,『嫦娥四號』的月球車還針對『玉兔號』在執行任務過程中遇到的一些問題,有針對性地進行了電纜設計的改進和試驗。『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。

『嫦娥四號』任務完成後,我國將執行探月三期任務,發射『嫦娥五號』采樣返回器,它由上昇器、著陸器、軌道器、返回器四個部分組成,將完成探月工程的重大跨越——帶回2千克月球樣品。

此後,我國探月工程將實施第四期工程,主要任務包括開展以機器人為代表的月球南北極探測,然後建立無人的月球科考站。最終,我國將實現載人登月的宏偉目標。

原標題:『嫦娥四號』為何要落月球背面

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