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月背将迎首位地球"旅客" 嫦四与"玉兔"有何不同?

2019-01-19 10:11:44 来源:互联网 作者:

  

月球背面将迎首位地球旅客 嫦娥四号如何着陆?

  12月8日2时23分,西昌卫星发射中心,嫦娥四号探测器由长征三号乙运载火箭成功发射。新华社发

  昨日凌晨2时23分,我国嫦娥四号月球探测器在西昌卫星发射中心成功发射,我国第二个月球着陆器和月球车踏上登月征程。发射任务由长征三号乙运载火箭实施。

  火箭将嫦娥四号送入地月转移轨道后,探测器将经过数十天在轨飞行、轨道修正、近月制动、环月飞行等,预计明年1月初着陆月面,择机释放巡视器。

  嫦娥四号的目的地是月球背面南极-艾特肯盆地,新月球车将与“玉兔”号在月球两面遥遥相对。这将是人类探测器首次在月球背面着陆,在人类从未直接看见的“月之暗面”实施月球探测和天文观测。

  据国防科工局、国家航天局介绍,嫦娥四号任务的工程目标包括两方面:研制发射月球中继通信卫星,实现国际首次地月拉格朗日L2点的测控及中继通信;研制发射月球着陆器和巡视器,实现国际首次月球背面软着陆和巡视探测。

  嫦娥四号的科学任务,一是开展月球背面低频射电天文观测与研究,二是进行月球背面巡视区形貌、矿物组分及月表浅层结构探测与研究,三是试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。

  航天专家庞之浩介绍,在月球背面着陆探测,对研究月球和地球的早期历史也具有重要价值。

  嫦娥四号还承担了国际合作项目。嫦娥四号任务中,我国与荷兰、德国、瑞典、沙特开展了4项科学载荷方面的国际合作,搭载了3项由哈尔滨工业大学、中山大学、重庆大学等国内高校研制的科学技术试验项目。

  焦点1

  嫦娥四号如何着陆?

  5年前,嫦娥三号着陆在月球正面的虹湾。那里布满月海玄武岩,地势较为开阔、平坦,位于大型撞击坑、月海、高地(山脉)交汇地区,有利于科学勘察目标的选择。

  而嫦娥四号的主着陆区为月球背面南极-艾特肯盆地,着陆区面积比虹湾地区小了许多。而且月球背面山峰林立,遍布撞击坑,很难找出更大、更平坦的地方,嫦娥三号着陆区地形起伏仅800米,而嫦娥四号着陆区起伏达到了6000米。因此,嫦娥四号着陆器,需要具有比嫦娥三号更准确的着陆精度。

  由于落月过程地球方向不直接可见,所有信息传输都需要在中继星“鹊桥”的中转下完成。整个落月过程由GNC(制导、导航与控制)系统自主操控,加之回传画面的延迟,对地面人员来说,这个过程近乎是“盲降”。

  焦点2

  为何要去月球背面?

  航天科技集团五院专家介绍,月球背面的探测,可以推动月基科学研究的不断深入。

  月球背面没有来自地球的无线电波的干扰,是进行射电天文观测的最佳场所,如果能利用这一自然地形架设无线电望远镜,就好比把“天文台”搬到了月球背面。嫦娥四号着陆器在月球背面软着陆后,将开展月基低频射电天文观测研究,预期可以获得一批原创性的科学成果。

  月球背面探测,也有助于推动月球资源的研究和开发利用。月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源,开发和利用月球资源是人类探测月球的原动力之一。近年来,美国等国家相继制定了包括月球背面资源调查研究计划。通过嫦娥四号对着陆区地形地貌、矿物组分、巡视区浅层结构、地幔物质等进行科学探测与研究,将为月球资源的开发利用提供极有价值的第一手资料。

  由于月球背面探测的难度,嫦娥四号任务也将助推我国航天和相关学科技术的突破。

  据嫦娥四号研制人员介绍,要完成前无古人的月球背面之旅,嫦娥四号面临几大技术难点:地月拉格朗日L2平动点轨道精确设计与控制,地月拉格朗日L2点远距离数据中继,复杂地形环境下的安全着陆等。

  为了突破这些技术难点,我国航天界将实现三个国际首次,即首次月球背面软着陆和巡视探测、首次月球拉格朗日L2点中继与探测、首次月基低频射电天文观测,以及国内首次实测月夜期间浅层月壤温度。这一重大科学创新工程的实施,将推动航天技术和其他科学领域相关技术的持续发展。

  焦点3

  新月球车与“玉兔”有何不同?

  今年8月15日,嫦娥四号月球车外观在北京首次亮相,与“玉兔”恰似孪生姐妹。嫦娥四号月球车总重量约140公斤,是全球迄今重量最小的月球车。

  探月工程副总指挥、国家国防科工局探月与航天工程中心主任刘继忠介绍,嫦娥四号月球车基本继承了“玉兔”的状态,但针对月球背面复杂的地形条件、中继通信新的需求和科学目标实际需要,做了适应性更改和有效载荷配置调整。

  工作在月球表面,月球车将面临多种极端条件的考验。

  2019-01-19,嫦娥三号着陆器与巡视器分离,“玉兔”抵达月球表面。据中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁介绍,月球环境曾对“玉兔”造成影响,例如月夜极低气温导致“玉兔”裸露在外的电缆发生故障。

  基于“玉兔号”的任务经验,嫦娥四号针对其遇到的问题进行了针对性改进。吴伟仁说,嫦娥四号的月球车仅在电缆钩挂、摩擦方面就做了上千次试验,同时也尽量减少电缆裸露在外的面积,减少电缆的故障风险。

  吴伟仁透露,嫦娥三号着陆器和月球车设计寿命分别为1年和3个月,但最终月球车工作了2年9个月,着陆器目前仍在运行,工作5年状态依然很好。嫦娥四号月球车设计寿命也是3个月,但预计工作时间将比“玉兔号”更长。

  焦点4

  “鹊桥”“嫦四”有何关联?

  今年5月21日,“鹊桥”中继卫星发射升空,也被称为嫦娥四号任务的先声。

  嫦娥四号探测器包括着陆器和巡视器(即月球车,此前探月工程办公室曾面向全社会为月球车征名,目前名称尚未发布),但嫦娥四号系统里还有一个“信使”——“鹊桥”中继卫星。

  由于嫦娥四号降落在月球背面,始终与地球“背对背”,无法直接与地球通信。为解决通信问题,科学家找到一个能同时“看到”地球和月球的位置——地月拉格朗日L2点(位于地月球心连线上靠近月球的一侧,距月球约6.5万公里),并在这里部署一颗通信卫星。

  “鹊桥”已经于今年5月21日发射升空,目前运行在地月拉格朗日L2点Halo轨道上,是人类历史上第一颗地球轨道外专用中继通信卫星。任务中,地球地面和嫦娥四号都先发射信号给“鹊桥号”,再由其转发给另一方。

  ■ 揭秘

  “月之暗面”:更白更厚更崎岖

  过去60年,人类共发射了132个左右的月球探测器,包括65个月球着陆器,但仅有不载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗号飞船“看”到过月球背面。主要是由于从地球向月球背面发射通讯信号,会受到月球整体阻挡,地面通信和测控的难题,阻挡了月球背面着陆计划。

  月球总是一面朝向地球

  由于月球自转周期和公转周期相等,加上被地球潮汐锁定,地球强大的引力让月球总是一面朝向地球。

  美国航空航天学会会员、“小火箭”联合会创始人邢强博士告诉记者,约41%月面无法被地球直接观测到。因为当飞行器飞到月球背面,就难以和地球建立通信,这也是长期以来,人类探测器从未在月球背面着陆的主要原因。

  可以说,月球背面对于人类来说,是“秘境中的秘境”。

  随着由中国航天科技集团五院研制的嫦娥四号从西昌出发,人类首次月球背面软着陆巡视探测的大幕正式拉开。嫦娥四号将第一次触及月球背面,这也是中国探测器目前到达的最远的土地。

  并非完全看不到月背

  据五院科研人员介绍,月球存在着“天秤动”,像钟摆一样来回摆动,因此,至少有10%至20%的月球背面的边缘地带可以从地球上看到,比如一个跨越1000千米的撞击盆地——东海。

  2019-01-19,苏联“月球三号”探测器传回月球背面的第一张照片后,月球背面的“真容”就第一次被揭开了。依照这些珍贵的照片资料,苏联在1960年11月6出版了第一份月球背面地图,一年之后,又制作了第一个月球仪,更加清晰地呈现出月球背面的初步特征。

  2019-01-19,苏联“探测器三号”传送回了25张画质更好的月球背面照片,可以看到月球背面有一条长数百千米的链状陨石坑。1967年,苏联根据这批照片出版了包含4000个新发现的月球背面地形目录的地图,同年发布了第一份比例为1:5000000完整的月面图和修订后完整的比例为1:10000000月球仪,月球95%的表面都在上面呈现了出来。

  人类首次与月背面对面

  人类首次与月背面对面是在1968年,美国“阿波罗八号”在进行载人登月任务试验的时候,宇航员威廉·安德斯首次看到月球背面。他描述说:“月球背面看起来像我在孩提时玩过一段时间的沙堆,它们全都被翻起来,没有边界,到处是一些碰撞痕和坑洞”。

  从那时开始直到“阿波罗十七号”,宇航员都曾看到过月球的背面。

  2019-01-19,美国国家航空航天局(NASA)的“月球勘测轨道器”拍摄了一组高清月球背面照片,解析度是以往所拍月球背面照片的106倍,所呈现的细节精细程度也创下了历史纪录。根据这些最新照片数据,美国宇航局绘制了月球背面数字海拔地形图,直观地揭示了月球背面的地形。

  如今,人类观察月背的视角将从太空中变为身临其境。嫦娥四号将首次实现月球背面软着陆和巡视勘察,迎接它的将是怎样的环境呢?

  布满巨坑的崎岖陆地

  据航天科技集团五院专家介绍,乍一看上去,月球背面“面孔”并不漂亮,像是一张“麻子脸”,陨石坑的数量比月球正面要多很多。

  月背的“皱纹”也很多,布满沟壑、峡谷和悬崖,而月球正面则更平坦。月背还有几处巨大的暗斑,暗斑中的物质与月面普通物质相比有很大不同,这种现象似乎能够说明,月球背面由于毫无遮拦地暴露在太空里,因而遭遇了大量天体直接撞击。经年累月,月球就像一个盾牌,为地球挡住陨石,守护着地球的安全。

  月球背面月壳整体比正面更厚,究竟是什么原因导致月壳厚度不一样,众说纷纭。照片显示,月球背面巨大的陨石坑都呈现出白色,好像从来没有暗色的熔岩从上面流过。科学家们研究认为,由于月球背面的月壳很厚,熔岩无法溢出,而正面月壳很薄,熔岩很容易破缝流淌在表面,所以颜色比正面要白得多。

  此外,月球正面月海很多,而月球背面却只有3个,分别叫东海、莫斯科海和智海。月球正面有许多巨大绵延起伏的山峦,而背面却不像正面那么多。

  关键一步已经迈出

  我们只能看到月球的一边,但这并不是说另外一面永远是黑暗的。事实上,当我们看到整个月球正面的时候,即满月时,它的另一面是黑暗的;而月初月末时,月球背面则是阳光普照。

  由于目前还没有宇航员或月球车登上月球的背面,因此,人们对月球背面详细情况除了借助照片判断,其他的知之甚少。而嫦娥四号探测器,为人类逐步揭开月球背面的奥秘迈出了关键的一步。

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