嫦娥四号成功着陆月背!传回首张近距拍摄月背影像图

发表时间:2019-01-04  投稿人:余瑛   部门:行政        编辑:    点击量:8020  

      今天上午10点26分,“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区,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,揭开了古老月背的神秘面纱。

 

落月后,在地面控制下,通过“鹊桥”中继星的中继通信链路,嫦娥四号探测器进行了太阳翼和定向天线展开等多项工作,建立了定向天线高码速率链路。11时40分着陆器监视C相机获取了世界第一张近距离拍摄的月背影像图并传回地面。


2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内,实现人类探测器首次在月球背面软着陆。

  四段飞行后,降于月球南极冯卡门坑

 

作为备份星的嫦娥四号,其软着陆设计与嫦娥三号基本相同。从轨道设计上看,两者也基本类似,嫦娥四号第一飞行段先由CZ-3B火箭送入近地点200公里、远地点42万公里的地月转移轨道;第二飞行段实施近月点制动,被月球引力捕获,进入100公里高度环月轨道;第三段实施轨道机动,进入近点月15公里,远月点100公里的椭圆轨道;第四段为近月点实施动力下降:主减速-快速调整-接近-悬停-避障-缓速下降。

  嫦娥四号这次软着陆区域位于月球背面的南极艾肯盆地内的冯-卡门撞击坑内,该撞击坑直径大约180公里,差不多是上海到杭州的距离。而冯-卡门坑所在艾肯盆地则是一个非常古老的大型盆地,直径达到2600公里,具有的科学意义显然是非常重大的。


冯-卡门撞击坑的特点在于:第一,地势比较平坦,适合探测器着落,所谓的坑大峰小;第二,年龄古老,距今40亿年以上,后期可挖掘出月球雨海纪玄武岩样本;第三,其冯-卡门坑在形成之前已经存在一个更大的撞击坑,通过撞击坑形成模型我们可以得知,冯-卡门坑表层或者浅表月壤中很可能有早期撞击暴露出的深层月幔物质。根据日本月神号探测器的数据,艾肯盆地内的月壳厚度较薄。同时,克莱门汀探测器的数据也显示,冯-卡门坑底有复杂的岩浆活动,多个证据显示雨海纪时冯-卡门坑存在重复撞击、月壳多次熔融,形成了今天我们看到的玄武岩层。综合多个因素,登陆冯-卡门坑的科学意义重大,未来获得的发现成果也值得期待。


从接近段开始,嫦娥4号上的光学成像仪介入,获取着陆区光学图像,由于嫦娥四号降落点选择在月球南极,因此太阳光照是一个控制条件,根据这个条件我们也可以推测出嫦娥四号的落月时间。只有降落点光照条件良好,着陆区光学图像越清晰越好,这样着陆器可识别月面大型障碍物。

 

嫦娥3号着陆器(图片来源:中国空间技术研究院)嫦娥3号着陆器(图片来源:中国空间技术研究院)
在悬停段时,嫦娥四号着陆器高度大约距离月面100米左右,通过激光三维成像仪建立着陆区三维高程数据,此时的横向、纵向速度都为零,姿态正上,缩小着陆区范围。接着,精细避障飞行开始,嫦娥四号着陆器高度开始进一步下降,从距离月面100米降低到30米左右,水平速度零,垂直速度值控制在每秒1.5米。从距离月面30米高度下降到月面,在关机传感器发出信号时,着陆器垂直速度应低于每秒3.8米,水平速度低于每秒1米,月面倾角小于8度,基本上可确保安全着陆。

  嫦娥四号登陆之后会进行仪器自检,后续将开展多个科学的任务,主要方向有三个:第一,月基低频射电天文观测;第二,冯-卡门坑巡视及浅层结构探测、下方矿物组分探测;第三,月背环境研究。嫦娥四号对月背的探测任务,有助于建立月背矿物、月面环境的早期研究框架,为今后的深入开发月球打下基础。

  为什么选择探测月球背后?

我们为什么非要到月球的背面去
地球上每天都有无数人举头望明月,对着它发出各式各样的感慨。但极少有人意识到,从他们第一次看到月亮至今,除了月亮“形状”(月相)的变化,月球表面的“图案”其实从来没变过,甚至最早人类远祖古猿看到的月亮和今人并无区别。

 

动图:NASA的深空天气探测卫星在150万千米外日地拉格朗日点“定点”观察而来的月球掠过地球,可以明显看到月球只有一面对着地球(图源:NASA)动图:NASA的深空天气探测卫星在150万千米外日地拉格朗日点“定点”观察而来的月球掠过地球,可以明显看到月球只有一面对着地球(图源:NASA)
道理很简单:

  通过亿万年的努力,巨大的地球把月球牢牢得实现了潮汐锁定,使它围绕地球一圈的公转周期完全等于自身转动。从地球上就只能看到当初它被固定朝向地球的一面。虽然由于月球天平动和视差现象可以瞥见一小部分背面,但绝大部分都是看不到的。我们称之为“月球背面”,在一些文艺作品中,还被艺术得称为“月之暗面”。需要注意的是,月球背面也能被太阳照到,并不“暗”,只不过人类看不到而已。

  “我选择着陆月球背后,不是因为它简单,而是因为它更难”

  人类月球探测、甚至人类航天的巅峰就是大名鼎鼎的阿波罗登月工程,它留下了载入史册的三句话:

  肯尼迪总统说过两句:“我们要在这个十年结束前,把宇航员送上月球,再安全送回来”,“我们选择登月,不是因为它简单,而是因为它很难”。

  经过无数航天人的努力,终于在1969年7月20日,由阿姆斯特朗说出了最著名的那一句:“这是我的一小步,却是全人类的一大步”。

 

到中国嫦娥三号时,人类已经在月球正面有过20个着陆器,然而背面为0(图源:Wikipedia)到中国嫦娥三号时,人类已经在月球正面有过20个着陆器,然而背面为0(图源:Wikipedia)
但是,所有的阿波罗载人任务、甚至苏联和美国的其他无人着陆月球任务都集中在月球正面,对这里人类已经了解得非常多。现在,不仅顶级科学家可以每天用激光精确监测地月距离和表面情况,普通天文爱好者也可以用望远镜了解月球正面的每一个月海、每一座环形山。阿波罗计划甚至送了12名宇航员登陆月球正面、还带回了382千克的单体样本。

  之所以一直探测正面、在正面着陆,却从不去背面,一个重要原因就是背面着陆的难度大大难于正面。

  因为苏美太空竞赛的走向逐渐变成“耗资不菲但收获有限”,二者先后放弃了月球探测。也给人类的月球探测留下了一个大挑战:谁能成功着陆月球背面?我们要因为难,就不去了吗?

  嫦娥四号做出了回答:“我选择着陆月球背后,不是因为它简单,而是因为它更难”。

  月球背后探测会给科研界带来什么?

  直接划重点:

  a、月球背面几乎全是环形山/陨石坑(97.5%),比正面多得多(69%),形成原因和目前的情况只有理论解释,缺乏实地验证;

  b、月球背面南极-艾特肯盆地,是太阳系第二大超级陨石坑,早在1998年,NASA的月球勘探者号就发现这里存在水冰,而且更接近月球最原始的情况;

  c、嫦娥四号实际着陆地点位于该区域中部的冯·卡门环形山,它以钱学森的恩师的名字命名。这里经过了强烈碰撞,极可能曾经被熔岩淹没,各类物质含量丰富,或许留有月幔最原始的成分,保留了月球最深层的秘密;

  d、“月球上氦三能量开发可供人类能源需求XX万/亿年”的说法,相信大家已经看过很多了,而理论上月球背面环境更容易产生氦三;

  e、月球背面有天然的“屏蔽”,没有任何来自地球的辐射干扰,这意味着它有着无比完美的安静环境做天文观测;

  f、月球背面的月壤也极有可能与正面大不相同。

 

月球正面(左)和月球背面(右)看起来截然不同(图源:NASA)月球正面(左)和月球背面(右)看起来截然不同(图源:NASA)
以上,基本意味着第一个实现月球背面着陆的探测器将会收获众多独特的科研成果,对世界航天和天文界都将是巨大的贡献。

  月球挡住了,信号咋办?

  既然月球挡住了背面,就要布置一颗信号中继卫星,为着陆器做准备和全程信号支持。从上个世纪六十年代开始,NASA就一直在提设想、论证,但从未实践过。目前,中国已经完成了这一任务:早在今年5月份,就成功部署了“鹊桥号”中继卫星,在月球背后6.5万公里之外的地月拉格朗日二点附近Halo轨道簇上运行。

 

鹊桥号中继星与地球、月球的轨道关系(图源:吴伟仁等)鹊桥号中继星与地球、月球的轨道关系(图源:吴伟仁等)
这是人类历史上首个月球信号中继卫星,架起了地球和月球背后的“鹊桥”,它将全程见证嫦娥四号的探测过程,也将负责嫦娥四号的全程通信。

  着陆区域到底有多复杂?

  月球背面陨石坑密布、尤其南极-艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂,对各种配合着陆传感器的系统要求很高。尤其是高度方面的变化速度超过了以往任何一次着陆,最大落差高达16.1千米。冯·卡门环形山属于其中一块核心区域,对嫦娥四号而言,相当于翻越崇山峻岭来找它。

  如果把此前探测器在月球正面的着陆情形描述为小船轻轻划过湖面,嫦娥四号在月球背面的着陆就好比在风暴洋中冲浪,难度不可同日而语。

 

南极-艾特肯盆地的地形图复杂程度远超其他地方,图中标注处即冯·卡门环形山(图修改自:Garrick-Bethell and Zuber)南极-艾特肯盆地的地形图复杂程度远超其他地方,图中标注处即冯·卡门环形山(图修改自:Garrick-Bethell and Zuber)
为了成功着陆并释放月球车探测,所克服的难度和意义可想而知。

  为什么四天就到月球,还迟迟不着陆?

  嫦娥四号早在12月8日就出发,使用了我国目前深空探测的最强火箭长三乙改III型。3.8吨重的它仅花了4天14时16分就完成了发射、轨道校正、近月制动、进入工作轨道,是四次主要任务中最短的一个。但依然等到了2019年1月3日才进行着陆任务。

  为什么需要这么长的时间呢?

  是为了等待时机。

  月球被潮汐锁定,自转与公转相同,导致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。换做地球时间就是近14天交替的白天黑夜。在进入月球轨道后,嫦娥四号一边测试仪器,一边等待月球进入白天,毕竟它的主要能量来源是太阳能。

 

光线照射形成的影子,也是着陆时判断地形的重要图像参考(图源:NASA)光线照射形成的影子,也是着陆时判断地形的重要图像参考(图源:NASA)
另一方面,由于降落地点处于南极附近,它需要逐渐调整轨道倾角才能经过这里,比较耗时。同时,也要等待太阳光照在月球的角度达到理想的状态,这样所有的地貌都会有比较清晰的阴影,最大程度辅助光学设备选择并定位着陆地点。

  网上有说法是,阿波罗登月的选择时间参考了中国的传统历法——农历,某种程度上,这个说法挺有道理,因为农历与月相一致,月相又说明了月球上太阳光照情况。这是登月设备的重要参考。

  嫦娥四号着陆怎么“走位”?

  由于降落的难度大大增加,嫦娥四号的着陆方式也将作出改动。由于着陆地的独特地貌特点,它的避障需求远高于其他着陆任务。

 

 

嫦娥三号和四号动力下降过程对比(图源:李飞等)嫦娥三号和四号动力下降过程对比(图源:李飞等)
可以看出,在进入准备阶段后,嫦娥四号的轨迹不降反升,而后进入一个几乎要实现长距离垂直下降过程,期间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程,难度极大。这么一个复杂的“走位”,对自主导航制导与控制要求极高。

  嫦娥四号的能量怎么来?

  采用太阳能电池板和充电电池组合,是很多月球探测器的基本配备。在(月球)白天,月球上太阳能极其充沛,太阳能电池板充电,剩余电能储蓄下来,所有系统正常工作。晚上能量不足,只能冬眠或降低工作强度。我国的嫦娥三号和玉兔号任务,以及苏联、美国诸多无人探测器,大都采用这个方案。

 


2013年12月2日发射的嫦娥三号和玉兔号月球车,它们能量主要依靠太阳能电池板(图源:中国航天科技集团)

  为应对夜晚过低的温度,探测器还需要携带放射性同位素元素钚-238,它的半衰期长达88年,会源源不断释放热量,做保温用,嫦娥三号即是如此。与此同时,它的热量也可以收集起来用以发电,这就是大名鼎鼎的“核电池”,太阳系的五个使者:先锋十号、先锋十一号、旅行者一号、旅行者二号、新视野号,皆是依靠它实现了深空之旅。

  而在嫦娥四号上,中国将首次实验自己的“核电池”技术。尽管它不是最主要的能量来源,但这个突破已经意义重大。

  逆袭的备份!

  嫦娥四号原本是嫦娥三号的备份版本,但毫无疑问,目前它的科学和工程目标都大大超出了前者。在嫦娥四号动力下降过程中,它需要鹊桥号配合完成全部动作,这就要求对星上传感器和核心降落辅助设备进行全新升级。


基于过往经验,嫦娥四号对月球车进行了一定改进,以期延长使用寿命,扩大科研成果。太阳能帆板系统也升级为高效三结砷化镓材料,能量来源更强劲。对嫦娥三号已有的测月雷达等设备进行升级。

  此外,在科学仪器上,为充分利用月球背后的“干净”天文观测条件,它新增了探测中子及辐射剂量、低频射电和中性原子等一系列设备。除了科研,它还携带了一个以科普为主要目标的月面微型生态圈,里面有几种生物,也是人类首次进行月面生物实验。

  国际合作大突破

  嫦娥探月工程作为中国最具标志性大型科学研究项目之一,在扩展中国航天国际影响力、甚至直接促进国际合作方面的意义对我国而言是无可取代的,而嫦娥四号任务(本质上鹊桥号中继卫星也属于嫦娥四号任务的一部分)更是为中国航天迈出了突破性的一步。

 

嫦娥四号任务的火箭整流罩上有众多国际机构,可以看出这是个高度国际化的任务(图源:中国航天科技集团)嫦娥四号任务的火箭整流罩上有众多国际机构,可以看出这是个高度国际化的任务(图源:中国航天科技集团)
在科学方面,低射频电探测仪是与荷兰合作,月表中子与辐射剂量探测仪是与德国合作,中性原子探测仪是和瑞典合作,月球小型光学成像探测仪是与沙特合作。

  在任务成功后,嫦娥四号收集来的一手科研数据将会对外全部公开,欢迎全世界科学家共同研究。一言以蔽之:嫦娥工程是近些年中国航天在国际上最大的一张名片,造成广泛影响的同时,也在行业内外得到了很多关注,是我国航天对外开放吸引合作的最佳平台。

  因而,眼前的嫦娥四号,不仅是中国的,更是全世界的。它的科学和工程意义,对整个人类而言都是重大突破。

  三步走战略后,将开启载人登月任务

  在嫦娥四号完成任务后,嫦娥五号将实现我国探月工程三步走战略中的“回”。这意味着嫦娥5号返回舱就要从月球表面起飞,以接近第二宇宙速度返回地球。上一次月壤返回要追溯到1976年的苏联月球24号探测器,也意味着时隔40多年后,人类再次从月球上采回样本。

  探月工程三步走完成之后,下一步就要开启载人登月的任务。随着NASA要重返月球,俄罗斯、欧洲跃跃欲试,私人航天企业也杀出重围。预计在2030年代,人类将再次开启新一轮载人登月窗口。

  在发射四天后的12月12日,嫦娥四号开始在100公里高度的环月轨道上运行,并在环月轨道上与“鹊桥”中继星进行了4次中继链路测试和多项在轨测试,为实施月球背面软着陆奠定了基础。12月30日,嫦娥四号探测器成功在环月轨道实施变轨控制,顺利进入着陆轨道,择机降落。1月3日,嫦娥四号探测器成功降落月球背面,这是人类首次登陆月球背面,也是中国探月工程的一个新的里程碑。

  此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆,首次月背与地球的中继通信,开启了人类月球探测新篇章。