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有著“白皙”“厚臉皮”的月背之謎一一揭開 
            ■記者 劉錕
  

   人類月球探測開啟新篇章!記者從國家航天局獲悉,昨天10時26分,嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面東經177.6度、南緯45.5度附近的預選著陸區,并通過“鵲橋”中繼星傳回世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。這次任務實現了人類探測器首次月背軟著陸和首次月背與地球的中繼通信。

   此外,嫦娥四號任務月球車全球征名活動于昨天揭曉,月球車(巡視器)命名為“玉兔二號”。1月3日夜里,嫦娥四號著陸器與巡視器已順利分離,玉兔二號巡視器駛抵月球表面。22時22分,巡視器踏上月球表面。著陸器上監視相機拍攝的玉兔二號在月背留下第一道痕跡的影像圖,“鵲橋”中繼星順利傳回地面。

   月球背面究竟長成啥樣

   是張麻子臉:隕石坑多,布滿溝壑峽谷懸崖

   從昨天嫦娥四號傳回的首張近距離月背圖來看,月背長相確實不咋樣。

   用嫦娥四號副總指揮兼副總師張玉花的話來說,月球背面這張“面孔”更像一張“麻子臉”,隕石坑的數量比月球正面要多,放眼望去隨處可見,密密麻麻。月背“皺紋”也多,布滿溝壑、峽谷和懸崖,而月球正面相對平坦得多。另外還有幾處巨大的“痤瘡”,暗斑中的物質與月面的普通物質相比有很大的不同,這種現象似乎能說明月球背面由于毫無遮攔地暴露在太空里,遭遇了大量天體的直接撞擊。經年累月,月球就像一個盾牌,為地球擋住了隕石,守護地球安全。

   月球背面還是個“厚臉皮”,它的月殼從整體來講比正面厚。究竟是什么原因導致月殼厚度不一樣,眾說紛紜。不過,“厚臉皮”為月球背面的“白膚色”提供了佐證。照片顯示,月球背面巨大的隕石坑都呈現出白色,好像從來沒有暗色的熔巖從上面流過。科學家研究認為,由于月球背面的月殼很厚,熔巖無法溢出,所以顏色比正面“白皙”。正面月殼很薄,熔巖很容易破縫流淌在表面。此外,月球正面月海很多,而月球背面卻只有3個,它們的名字分別叫東海、莫斯科海和智海。月球正面有許多巨大綿延起伏的山巒,背面卻不像正面那么多。

   月背、地球通信如何實現

   架地月“鵲橋”:進行信息數據“中繼”交換

   隨著嫦娥四號在月球背面成功軟著陸,我國也成為世界上首個建立月背與地球中繼通信的國家。

   深空探測任務中難度最大的就是如何確保遠距離數據通信鏈路的可靠建立,實現航天器和地面的實時通信聯絡,這也是世界各國都在致力解決的深空探測關鍵核心技術。嫦娥四號探測器要到月球背面安家落戶,首先遇到的就是它與地球不僅相隔遙遠的地月距離,而且還要隔著通信信號無法穿透的月球球體。

   “搭橋”是較為完美的解決方案。2018年4月24日,中繼衛星被正式命名為“鵲橋”。“鵲橋”不大,重量才約448公斤,衛星本體橫向尺寸1.4米×1.4米,高度850毫米,加上天線是3米多。

   由于嫦娥四號要在月球背面靠近南極一個叫馮·卡門撞擊坑的地方軟著陸,科技人員決定把“鵲橋”架在“地月系統拉格朗日L2點”上,這個位置處于地球和月球兩點連線的延長線上,且在較小的天體也就是月球一側,在這個位置“鵲橋”既可以看到地球,又可以看到月球背面,因此,可以同時與地球和月球背面進行信息和數據交換,完成“中繼”任務。

   如果中繼衛星“守”在地月拉格朗日L2點不動,由于受月球遮擋,仍然“看不見”地球。所以,設計師為其設計了Z向振幅約1.3萬千米,繞地月拉格朗日L2點的Halo軌道。“鵲橋”在這一軌道上做擬周期運動,既能“看見”地球,又能“看見”月球,可以同時與地球和月球背面進行信息和數據交換,通過定期軌道控制來保持軌道的穩定性,實現對嫦娥四號著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

   “鵲橋”首戰成功,后面還將面臨更重的任務,為兩器分離、互拍以及巡視器探測提供通信支持。

   除了搭建通信橋梁,“鵲橋”還嘗試為空間科學試驗“牽線”,激光測距試驗是其一。目前,人類歷史上最遠距離的激光測距試驗是依據1969年阿波羅11號在月球上放置的一套激光測距反射鏡陣列進行。如今,在距離地球40多萬公里的地月拉格朗日L2點附近,“鵲橋”將嘗試把遠距離激光測距的紀錄再度延伸。“鵲橋”上還搭載了浙江大學研制的兩臺相機,用來拍攝天線展開的過程,若幸運,人們還會看到其拍攝的地月彩色合影。

   一噸重嫦娥四號如何軟著陸

   四條著陸腿:“大腳掌”確保不會“閃著腰”

   從距離月面幾十公里的高度一直到著陸月面,嫦娥四號如何才不會“閃著腰”?

   面對體重超過一噸的嫦娥四號,為實現軟著陸,中國航天科研人員在著陸器上安裝了反推發動機。但能否經受住最后“一落”,著陸器的四條腿至關重要。這四條腿學名叫“著陸緩沖機構”。它能利用緩沖功能,將嫦娥四號著陸月面瞬間所產生的沖擊有效吸收,防止巨大的沖擊力對嫦娥四號安裝的重要儀器設備造成損傷。

   為確保良好的緩沖,科研人員為四條腿配備了兩個秘密武器。一個是“大腳掌”,這是與月球表面直接接觸的部位,它長得和人的腳掌完全不同,是圓的,看上去像個大臉盆。說它很大,是因為它的直徑差不多是普通人腳長的兩倍。為什么要設計成盆狀呢?這種盆狀結構可以更好地防止嫦娥四號著陸月面時摔倒。

   為讓這個大腳掌足夠強壯,內部使用了長得像蜂窩一樣的材料,在中央還埋藏著一個長得很特別的金屬結構,像足弓一樣,能將沖擊力有效分散。在這個“足弓”內部還填充有更致密的緩沖材料,起到更好的緩沖作用。

   第二個秘密武器就是主腿和副腿。每條著陸腿都包含一個主腿和兩個副腿。兩種腿各司其職。在著陸前,副腿推著主腿向外側展開到規定角度并鎖定,然后主腿就負責在著陸時安全地支撐住嫦娥四號,將各種沖擊力傳遞、吸收。副腿也會輔助主腿緩沖巨大的沖擊力,并使落月更穩定、安全。

   月球很遠,要想飛得更快,體重要盡可能輕。為了減重,主腿和副腿的外殼是又長又薄的圓筒,為了確保圓筒強度,設計師優選了一種強度很高的鋁合金材料,但這種材料加工時十分容易變形,越細、越長、越薄的圓筒就越難加工。

   月背科學探測有何意義

   電磁波“寧靜區”:接收更多宇宙微弱信號

   月球背面的科學探測意義重大。那里避開來自地球的大量電磁干擾,處于電磁波“寧靜區”,在這樣的潔凈環境中,探測器可以接收到更多微弱信號,例如宇宙形成早期發出的短波。人類通過多次環月探測發現,月球背面分布著大大小小的天體撞擊坑,這片神秘區域到底經歷過怎樣的天體活動?科學家分析,這些撞擊坑有的在幾十萬年前生成,能否通過它們找到宇宙起源的蛛絲馬跡?

   嫦娥四號探測器的成功著陸,為人類揭開月球背面的神秘面紗邁出關鍵一步。嫦娥四號首選著陸區為月球南極——艾特肯盆地。“與嫦娥三號的虹灣著陸區相比,虹灣的整體趨勢較平坦,但艾特肯盆地的地形則比較崎嶇,撞擊坑大且分布密集,這就對探測器著陸區的選擇和著陸精度提出很高要求。”

   巡視器還要面對月球表面晝夜溫差變化大、低重力環境以及細小微塵的污染等問題。“比如,月球的重力只有地球的1/6,我們要針對這種低重力環境,對巡視器的移動速度、距離、越障能力等狀態和參數進行充分的地面力學分析和驗證,并結合月面散落的隕石和撞擊坑的狀態,使其具有一定的障礙識別和自主避障能力,保證它的通過性、機動性以及地形適應性。”

   嫦娥四號如何“盲降”月背

   著陸器控制系統:設計延時數據注入功能

   嫦娥四號成功實現在月球背面軟著陸,再次把我國航天器制導、導航與控制(GNC)技術提升到新高度。

   GNC系統負責嫦娥四號著陸器和巡視器組合體奔月、環月、落月的整個過程控制,特別是臨近月球時的“踩剎車”和落月的過程,沒有重來的機會。相較于嫦娥三號,嫦娥四號的落月有著更高的難度,難度主要來自于“月球背面安全著陸”。究其原因,一是月球背面崎嶇不平。二是落月過程地球方向不直接可見,所有的信息傳輸都需在中繼星“鵲橋”中轉下完成。整個落月過程由GNC系統自主操控,加之回傳畫面的延遲,對地面人員來說,這個過程近乎“盲降”。

   昨天10時15分,嫦娥四號終于如期等來落月的指令。首先是掉頭,做好下降準備,然后在距離月面15公里的高度“定時定量”啟動發動機開始快速減速,在邊往前飛邊下降的同時,嫦娥四號快速調整姿勢調整速度,在距離月面約6公里的高度時調整至垂直下降。專家表示,這個垂直就是和嫦娥三號最大的不同,因為這里太崎嶇,如果水平方向持續移動就會讓著陸器不能準確測量自己所處的高度。繼續下降,待發現下方100米就是月面時,為保證落地時每只腳都不踩到石頭上、踩到坑里,嫦娥四號稍稍歇了歇腳,待自己找好著陸點才緩緩飄下去。

   為了防止在最緊張的、不可逆的月球背面著陸過程中“鵲橋”出現問題影響數據的上傳,GNC系統設計了延時數據注入功能,提前把要注入著陸器計算機的數據發送到著陸器上的某個地方暫存,這個數據包是帶有時間標簽的,待到著陸器上的時間和該標簽相同時,數據便自動注入,如此,原本賴以生存的通過“鵲橋”的實時數據注入就淪為備份手段。

   系統還可以“全程自主故障診斷與重構”,萬一真的發生故障,系統可以隨時給自己進行“診斷”,找到和剔除病灶,確保落月過程萬無一失。

   著陸器GNC圓滿完成使命,但嫦娥四號任務還在繼續,后續還有著陸器、巡視器的兩器分離,月球車的月面就位探測、巡視探測,月晝月夜的交替等挑戰,具體考驗的就是嫦娥四號巡視器GNC系統的智慧了。

   嫦娥四號著陸器GNC系統主任設計師程銘說:“看著美妙的落月過程,我們很自豪!”

   哪些視覺盛宴值得期待

   四臺CMOS相機:直播“月背”探索新發現

   隨嫦娥四號登月的,還有四臺神秘的小相機,包括三臺監視相機和一臺降落相機。這四臺CMOS相機如同一個小團隊,在嫦娥四號到達月面前,便做好了全方位的分工和準備,拍的拍,攝的攝,錄的錄,傳的傳,隨時待令為全球開啟一場“月背”探索現場的視覺盛宴。

   降落相機——“直播”降落全程。嫦娥四號著陸器將要降落在月球背面的艾特肯盆地(SPA盆地),SPA盆地是月球上規模最大、最古老的撞擊盆地,對它的研究有可能揭露下月殼甚至上月幔的物質狀況,因此它是研究月球深部物質組成的重要窗口。降落相機安置于著陸器的底部艙內,在著陸器降落過程中,降落相機以較高的幀頻進行拍照,獲得大量真實的月球表面信息,直觀地反映月球表面地貌特征和區域地質情況,提升人類對月球的認識。

   就在昨天,嫦娥四號降落的過程中,降落相機開機工作,在下降過程中拍攝了多幅月球背面照片。從昨天傳回的照片看,降落相機光學圖像可獲得與人的視覺習慣相近的月面景觀,其所傳送的圖片生動如實地描述著陸器降落的全過程,讓人身臨其境。

   監視相機——“監視”兩器分離。嫦娥四號監視相機共有三臺,主要任務是對巡視器與著陸器的釋放分離過程進行全程監視,實現兩器解鎖、巡視器駛離連接支架、臍帶電纜脫離、行駛至轉移機構、釋放分離等關鍵過程的監測,提高探測器系統月表活動的展示度。它們也可以為釋放分離過程中每一個指令的執行情況提供直觀的視覺信息,并對下一個指令的執行風險提供評估依據。巡視器釋放完畢后,裝在著陸器側面的監視相機可定時拍攝不同太陽高度角下的月面圖像,并對巡視器月面工作情況進行監視。
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