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嫦娥四号着陆月背 为何比嫦娥三号多飞了半个月?

2019年01月04日 02:27 来源:新京报 参与互动 

视频:1分钟回顾嫦娥四号自主着陆全过程来源:央视新闻

  “嫦娥四号”发回世界首张月背近景图

  以“盲降”方式11分钟着陆月背;将择机分离着陆器与巡视器,届时人类将首次获取月背地质信息

  昨天上午10时26分,嫦娥四号探测器成功在月球背面南极-艾特肯盆地内冯·卡门撞击坑着陆,并通过“鹊桥号”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。

  嫦娥四号于2018年12月8日乘坐长征三号乙运载火箭离开地球,经历了27天太空之旅,并在太空中度过了新年。

  嫦娥四号开创了人类探测器在月球背面着陆的历史。布满撞击坑和奥秘的月球背面,迎来首个“地球行者”。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。等到巡视器(月球车)驶下着陆器,在月面进行巡视探测,人类将第一次获取有关月球背面地质等领域的一手信息。

  美国航空航天局局长(NASA)吉姆·布里登斯廷昨天在社交媒体向中国嫦娥四号团队表示祝贺,称这次人类首次月背软着陆为“令人印象深刻的成就”。

  记者从国家航天局获悉,嫦娥四号将通过“鹊桥号”中继星的通信链路,在地面控制下,开展设备工作模式调整等工作,择机实施着陆器与巡视器分离。

嫦娥四号探测器月球背面软着陆后降落相机拍摄的图像。国家航天局供图

  历程

  自主避障选址 11分钟着陆

  昨天,嫦娥四号着陆过程历时约11分钟。

  10时15分,科技人员在北京航天飞行控制中心发出指令,嫦娥四号探测器从距离月面15公里处开始实施动力下降,7500N变推力发动机开机,逐步将探测器的速度从相对月球1.7公里每秒降到零。

  在距离月面6-8公里处,探测器快速调整姿态。到达距月面100米处,为了保证落地时每只脚都不踩到石头上或坑里,嫦娥四号稍稍悬停,对障碍物和坡度进行识别和自主避障,找好理想着陆点,然后缓速垂直下降。

  约690秒后,嫦娥四号自主着陆在月球南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内。落月过程中,降落相机拍摄了多张着陆区域影像图。

  据中国航天科技集团有限公司五院502所嫦娥四号GNC系统研制人员介绍,嫦娥四号最后采取垂直下降。这个垂直下降动作,就是与嫦娥三号落月最大的不同,因为着陆区太崎岖,如果水平方向持续移动,就会让着陆器不能准确测量所处的高度。

  落月后,在地面控制下,通过“鹊桥号”中继星的通信链路,嫦娥四号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,图中展示了巡视器即将驶离着陆器、驶向月背的方向。

  整个过程中,地面人员都通过“鹊桥号”中继星观看了“直播”。

  揭秘

  月背“盲降” 步步惊心

  相较于2013年落月的嫦娥三号,嫦娥四号落月难度更大,主要因为月球背面这一特殊环境。

  中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁曾形容,嫦娥三号相当于在华北平原着陆,而嫦娥四号则是在崇山峻岭的云贵川地区着陆。嫦娥三号月球正面着陆区地形起伏仅800米,而嫦娥四号着陆区起伏达到6000米。

  而同样困难的是,落月过程地球方向不直接可见,所有信息传输都需要由中继星“鹊桥号”中转,无疑增加了风险。因为落月过程由GNC系统自主操控,加之回传画面延迟,所以对地面人员来说,整个过程近乎“盲降”。

  研制人员也考虑了“盲降”的风险,尤其是如果下降过程中,“鹊桥号”的信息传输“卡住”,影响数据上传,怎么办?

  为此,GNC系统设计了延时数据注入功能,就是提前把要发送给着陆器计算机的数据发送到着陆器上暂存,这个数据包是带有时间标签的,待到着陆器上的时间和该标签相同时,数据便自动注入。如此,“鹊桥号”就成为了备份手段。

  系统还可以全程自主进行故障诊断与重构,万一发生故障,探测器可以随时给自己“诊断”,找到病灶并解决。通过各部分功能的优化、再组合,着陆器可以确保机体整体功能正常。

  为了化解着陆瞬间的巨大冲击力,设计和制造人员为嫦娥四号精心设计了特殊的“着陆缓冲机构”,即主腿和副腿配合的结构。着陆器的每条着陆腿都包含一个主腿和两个副腿,各有分工。在着陆前,副腿推着主腿向外侧展开到规定角度并锁定,主腿负责在着陆时支撑住着陆器,将冲击力传递、吸收,是着陆器主要的支撑结构。副腿也会辅助主腿缓冲巨大的冲击力,使落月更稳定、安全。

  ■ 释疑

  1 嫦娥四号的着陆点选在哪?

  嫦娥四号原本为嫦娥三号的备份,嫦娥三号任务完成后,嫦娥四号被赋予了向月球背面进发的新使命。

  月球背面山峰林立,冯·卡门撞击坑的南部地势在月背已经较为平坦,从北往南着陆航迹的高程起伏较小,因此被选定为嫦娥四号着陆和探测区域。

  中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁等曾撰文指出,冯·卡门撞击坑具有较高的科学探测价值,坑内的钍、氧化铁、二氧化钛等含量均较高,同时物质组成的异常空间分布可能提供火山活动以及月壳活动线索,有利于开展月壳活动研究,并对月幔玄武岩起源研究有重要意义。

  2 为何比嫦娥三号多飞半月?

  嫦娥三号于2013年12月2日发射,14日成功着陆,历时12天。而嫦娥四号从去年12月8日发射到1月3日着陆,历时27天。为何嫦娥四号比三号多飞了整整半个月?

  嫦娥四号去年12月8日搭乘火箭发射,12月12日进入环月轨道,12月30日进入月球背面着陆准备轨道。12月12日后,嫦娥四号进行了2次环月轨道修正,与“鹊桥号”中继星进行了4次中继链路测试,开展激光测距、三维成像等导航敏感器在轨测试。

  航天科技集团五院嫦娥四号着陆器总体副主任设计师许应乔介绍,嫦娥四号与三号在地月转移轨道运行时间相当,但是环月段时间更长,长达20多天。原因一是进行月球背面下降的轨道调整,二是进行中继星的测试,从而更精确地降落。

  3 嫦娥四号着陆后要做什么?

  为完成科学探测任务,“嫦娥四号”把8台有效载荷和1台科普载荷带到了冯·卡门撞击坑。着陆器上安装了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、与德国合作的月表中子及辐射剂量探测仪等4台载荷;巡视器上安装了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪。着陆器还搭载了月表生物科普试验载荷。

  这些仪器将在月球背面开展低频射电天文观测与研究,巡视区形貌、矿物组分及月表浅层结构研究,并试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境研究。

  科学家认为,冯·卡门撞击坑的物质成分和地质年代具有代表性,对研究月球和太阳系的早期历史具有重要价值。月球背面也是一片难得的宁静之地,屏蔽了来自地球的无线电信号干扰,在此开展低频射电天文观测可填补射电天文领域在低频观测段的空白,为研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能,也将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。

  本版采写/新京报记者 倪伟

【编辑:于晓】

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