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人类首次!嫦娥4号为何选择在月球背面着陆?

来源:国家人文历史微信公众号   发布时间:2019-01-04

 

  2019年1月3日上午10:26,经过26天的飞行,嫦娥4号月球探测器顺利着陆在月球背面东经177.6°,南纬45.5°的预选着陆区中,成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器,并通过鹊桥中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。这是中国探月工程“绕、落、回”计划的第二阶段,也是继5年前的嫦娥3号任务成功完成之后我国深空探测史上的新篇章。

 

  着陆器的监视相机C拍摄的着陆点南侧月球背面图像,月球车将朝这个方向驶向月球表面。(来源:CNSA/CLEP)

  嫦娥4号任务包括一枚着陆器和巡视器(月球车)的组合体,以及一枚为着陆器/月球车与地球提供通讯的中继卫星“鹊桥”号。鹊桥号是人类首颗位于地月拉格朗日L2晕轨道(halo轨道)的通讯中继卫星,目的是为了解决着陆任务挑战月之背面的通讯难题,因此已在半年多前提前发射并于6月14日顺利抵达预定轨道。

 

  嫦娥4号着陆器(左)和月球车(右)。(来源:航天科技集团)

 

  “鹊桥”工作示意图

  着陆之后的嫦娥4号会打开太阳能电池板,将天线指向中继星传回讯号,并于几个小时后释放月球车。我们即将再次看到着陆器和月球车历史性的两器互拍!

  2013年12月15日,嫦娥3号落月6个小时后,着陆器的地形地貌相机和月球车玉兔的全景相机互拍:

 

  这是着陆器的降落相机拍的:

 

  嫦娥4号的奔月之路

  2018年12月8日凌晨2:23,嫦娥4号发射升空,奔向约38万公里外的月球。

  12月12日16时45分,经过约110小时的地月转移轨道后,嫦娥4号探测器成功实施近月制动,进入了近月点约100公里的环月轨道。

  12月30日8时55分,嫦娥4号探测器在距月面平均高度约100公里的环月轨道上成功变轨,降轨进入近月点高度约15公里、远月点高度约100公里的环月轨道,顺利进入预定的月球背面着陆准备轨道。

  嫦娥4号的奔月之路是这样的

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  由于轨道准确,预定的三次轨道修正最终只执行了一次,第三次和第一次都取消了。(修改自:航天科技集团)

  嫦娥4号如何着陆?着陆在哪里?

  嫦娥4号的着陆点位于月球背面南极-艾特肯盆地(简称SPA)中的冯·卡门撞击坑(中心位于东经176.2°,南纬44.4°)内。不用多说,这个撞击坑是以航天工程学家、NASA喷气动力实验室(JPL)的创始人之一冯·卡门的名字命名的,他也是“中国航天之父”钱学森先生的博士导师。

  嫦娥4号本次选择探访南极-艾特肯盆地,不仅仅是因为月之背面还没有着陆任务去过,还因为南极-艾特肯盆地本身就有重要的、不可替代的科学价值。直径约2400公里、形成于月球前酒海纪(39.2亿年前)的南极-艾特肯盆地深达12公里,是太阳系中目前已知的最大的撞击盆地之一,也是月球上最深、最古老的大型撞击盆地。因此,对南极-艾特肯盆地的实地考察,有助于帮助人类加深对南极-艾特肯盆地的形成、月球深处的成分,以及月球地质历史的理解。

  然而,着陆南极-艾特肯盆地艰险异常。尽管鹊桥中继卫星解决了通讯难题,但不同于大片大片被月海玄武岩覆盖的平坦的正面,月球的背面崎岖坎坷,鲜有大片平坦的地方,被层层叠叠的撞击坑覆盖的南极-艾特肯盆地中也是如此——这里的起伏可以高达7公里,而且波动明显。

 

  嫦娥3号和4号的着陆区位置。(来源:LRO WAC/haibaraemily)

  冯·卡门撞击坑中因为有大片被月海玄武岩覆盖的区域,成了月球背面少有的平坦区域,这也是嫦娥4号选择在这里着陆的重要原因之一。当然,除了地形之外,这里的光照、测控等条件也是经过了检验,适合嫦娥4号顺利着陆和探测的。

 

  冯·卡门撞击坑的位置和周围的几个撞击坑,黄色为本次嫦娥4号的着陆点,浅蓝色区域为月海玄武岩填充区域,这些区域非常平坦。(来源:LRO WAC/haibaraemily)

  然而,即便找到了平坦的地方,嫦娥4号着陆的难度系数依然非常高,因为冯·卡门撞击坑的直径只有186公里——这意味着嫦娥4号必须落得飞常准。一旦偏了一点,就可能落不进平坦的区域,而是撞上崎岖的高山低谷了。

  因此,嫦娥4号的着陆策略也做出了调整。虽然和嫦娥3号一样,自主着陆的嫦娥4号整个动力下降过程也分为6个阶段:主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。但不同于嫦娥3号的抛物轨迹下降,嫦娥4号选择进一步减小着陆位置的不确定性,以近乎垂直的方式着陆。

 

  嫦娥3号(左)和嫦娥4号(右)的动力下降过程对比图

  嫦娥4号将要探测什么?

  嫦娥4号此行主要有三大目标:探测月球背面巡视区的地形地貌、矿物成分;探测背面巡视区的浅表层结构;利用月球背面得天独厚的射电天文环境展开低频射电天文观测。

  要如何完成这些目标,当然是得看嫦娥4号带了些什么。作为嫦娥3号的备份机,嫦娥4号不管是外形还是携带的科学仪器都很大程度上继承了嫦娥3号,带的仪器也有很大的相似性。

 

  素材来源:CNSA

  嫦娥4号和嫦娥3号一样携带了8个科学仪器,但根据实际探测目标和探测环境的变化对携带的科学仪器做出了新的调整。

 

  1降落相机(着陆器)

  降落相机位于着陆器底部,大小116×100×70.4毫米,重约0.5公斤,硬件指标与嫦娥3号的着陆相机相同。

  降落相机的主要任务是在着陆器降落过程中获取不同时段不同高度处降落区域的地形地貌数据,因此会一直垂直指向月表。

  由于降落相机只在降落过程中使用,所以它的工作时间非常短,只有几分钟。

  2地形地貌相机(着陆器)

  地形地貌相机位于着陆器顶部,大小92× 105× 118.9毫米,重约0.64公斤,可以拍摄可见光波段下的彩色影像,硬件指标与嫦娥3号的地形地貌相机相同。

  地形地貌相机的主要任务是拍摄月球表面和月球车的影像,可以拍摄着陆区周围360°的全景照片。

 

  这是当年嫦娥3号的着陆器在2013年12月20日拍摄的全景照片拼接图,可以看到自己的太阳能板和一部分组件、远处的月球车玉兔,以及玉兔留下的车辙。(来源:Chinese Academy of Sciences / Don Davis)

  3低频射电频谱仪(着陆器)

  低频射电频谱仪是嫦娥4号为了充分利用月球背面天然无干扰的射电天文环境而新搭载的仪器,任务是在月球背面进行太阳低频射电特征和月表射电环境的观测,填补0.1~40 MHz范围内的射电观测空白。

  3根5米长的低频射电频谱仪天线是为了分别接收电磁波信号的三个相互垂直的分量,这也是嫦娥4号着陆器与3号在外形上最显著的区别。

 

  由于电离层的阻挡,波长10米以上的电磁波几乎完全无法穿透大气来到地球表面,想要对这类以及波长更长的低频电磁波进行观测,就必须离开地球大气层——月球背面就是一个极佳的观测场所。

 

  地球大气的电磁波窗口。(来源:维基)

  事实上,除了地球电离层的干扰,月球背面的低频射电观测还能有效屏蔽人类活动的干扰——10米以上在天文上是所谓的超长波(低频),但在人类社会活动看来却属于“短波”(“高频”)段,这可是民用无线电广播的主要频段。

  另一方面,着陆器上搭载的低频射电频谱仪还会与鹊桥中继卫星上携带的荷兰研发的低频射电探测仪(NCLE)(0.1-80 MHz)协同观测,互为验证和补充。

  4月表中子及辐射剂量探测仪[德](着陆器)

  与德国基尔大学合作研制,搭载在着陆器上。目标是测量月表包括带电粒子、γ射线和中子的综合粒子辐射剂量和LET谱,以及月表快中子能谱、热中子通量等参数,为未来载人登月的安全活动和月表综合粒子辐射模型修正提供数据支持。

 

  两个盒子分别是月表中子及辐射剂量探测仪的传感头和电子单元

  5全景相机(巡视器)

  巡视器(月球车)上搭载了2台全景相机,大小90×110×120毫米,总重约0.69公斤。全景相机安装在月球车的桅杆上,可以实现对月球车沿途不同测区的360°彩色成像,还能通过2台相机对目标进行立体成像。

 

  这是当年嫦娥3号的月球车玉兔在N205点拍摄的全景照片拼接图,可以看到自己的低频测月雷达天线、自己碾过的车辙,以及远处的着陆器

  6红外成像光谱仪(巡视器)

  红外成像光谱仪位于月球车前侧,大小255×172×162毫米,重约4.69公斤,用于探测月球车沿途的月表矿物组成和分布,有可见光近红外(450-950纳米)和近红外短波红外(900-2400纳米)两个通道,硬件指标与嫦娥3号的红外光谱仪大致相同。

  7测月雷达(巡视器)

  测月雷达的工作原理是通过主动发射和接收雷达信号来探测地下结构。嫦娥4号月球车上搭载的测月雷达目标是探测月球车沿途地下的浅表层结构,例如月壤厚度、月壳浅层结构等,帮助我们追溯巡视区所在区域的地质历史。

 

  测月雷达的工作原理。(来源:IECAS)

  嫦娥4号和3号一样,搭载了2个不同频率的测月雷达,目的是为了兼顾探测深度和探测分辨率:

  低频测月雷达(第一通道)天线位于月球车后部,中心频率40~80 MHz,分辨率较低

  (米级),但可以探测较深的地下结构(≥100米);

  高频测月雷达(第二通道)天线位于月球车底部,中心频率250-750 MHz,分辨率较高(≤30厘米),但只能探测较浅的地下结构(≥30米)。

 

  红色箭头所指的就是2根低频测月雷达天线,高频测月雷达是蝶形天线,安置在月球车底部。(改编自:中国航天科技集团)

  8中性原子探测仪[瑞典](巡视器)

  与瑞典空间物理研究所合作研制,搭载在月球车上。目标是测量月球车沿途0.01-10 keV能量范围内的能量中性原子和正离子。这将是人类首次在月球表面进行中性原子探测。

 

  嫦娥4号月球车搭载的中性原子探测仪。(来源:IRF)

  可以看出:

  嫦娥4号在嫦娥3号的基础上保留下来的仪器们主要用于拍摄着陆过程和着陆区附近的地形地貌(降落相机、地形地貌相机、全景相机)、探测矿物成分(红外成像光谱仪)和浅表层结构(测月雷达);

  而替换的新仪器们(低频射电频谱仪、月表中子及辐射剂量探测器、中性原子探测器)则侧重于利用月球背面得天独厚的天文环境进行探索性观测。绝对是因地制宜了。

  嫦娥4号的着陆器和月球车的设计寿命分别为6个月和3个月,所以在接下来的半年里,我们可以期待嫦娥4号带来更多惊喜。

 

      (文章来源:国家人文历史微信公众号)

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