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探索月球背面的嫦娥四号
发布时间:2019-07-04
 

嫦娥三号在月球上顺利完成任务后,不仅给科学研究带来了很多成果,而且为它的“妹妹”——嫦娥四号的出发打下了很好的基础。不过,遗憾的是姐妹俩不可能见面了,因为“妹妹”要着陆的地方是月球背面。



为什么要探测月球背面

说起嫦娥四号的任务,还有一番曲折的争论。嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,由于嫦娥三号落月探测器出色地完成了预定任务,关于嫦娥四号是否要发射及其承担的任务曾在较长一段时间内不能确定,主要是因为有关专家意见不一致,为此论证甚至争吵了两年,分歧的核心在于嫦娥四号是落在月球正面还是背面?

刚开始,很多专家认为嫦娥四号还是应该落到月球正面,这样比较牢靠,技术风险小,不会节外生枝。但是,嫦娥系列月球探测器总指挥兼总设计师顾问叶培健院士主张落到月球背面。叶院士认为,落到月球背面,如果成功了是一大亮点;如果不成功,因为这是人类第一次,也可以原谅。先不要讲什么科学意义、技术带动,单从逻辑学上看,落到月球背面的科学意义就是一句话:背面没去过!结果,叶院士的提议通过了,嫦娥四号要到月球背面探测。 




娥四号并不是一个很大、很复杂的月球探测器,而且还是个“备份”,可是其发射的意义是深远的,如果发射成功,它将创造多个首次。

 

1.首次到达月球背面的探测器

由于月球的自转周期与绕地球的公转周期刚好相同,地球上的人永远看不到月球的背面,很多科幻影片都把月球背面描述得格外神秘——那里充斥外星人、宇宙飞船、神秘基地、金字塔……而真实的月球背面到底有什么呢?没有人知道。尽管过去60年内,人类已经发射了100多个月球探测器,其中有65个登陆月球,但只有不载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗号远远地看到过月球背面,并没有一个探测器或人真正地到达月球背面进行探测。


因此,嫦娥四号将是世界上第一个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。

 

嫦娥四号将首次为科学工作者提供月球背面空间科学研究平台,有望获得一批重大的原创性科学研究成果。

 


月球背面独特的环境条件和复杂的地质历史,一直是学术界和工程界探测与研究的难点、热点以及未来规划开展探测的重点。随着航天技术的不断发展,开展对月球背面的着陆与巡视探测越来越受到航天大国的重视。


目前美国国家航空航天局和欧洲空间局都已制订了未来月球背面的探测计划,特别是欧洲空间局提出了系统的月球背面探测任务建议书,并计划于2025年实施该计划的发射任务。可喜的是这个想法很快就会被中国的嫦娥四号实现,中国在这方面将居于世界领先地位。  



2. 首次发射月球探测中继卫星 

由于受到月球自身的遮挡,着陆在月球背面的探测器无法直接实现与地球的测控通信和数据传输。嫦娥四号的“鹊桥”中继星将成为架设在嫦娥四号着陆器和巡视器与地球间的“通信站”,搭建地月信息联通的“天桥”。现在,“鹊桥”中继星已经顺利到达预定点,等待着嫦娥四号的到来。


它是世界首颗运行在地月L(拉格朗日)2点Halo轨道的卫星,可为嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。同时,中继卫星上还将携带一些实验载荷,开展科学探测和新技术实验。 

 


3. 首次在月球上开展月面生态系统研究

 

在嫦娥四号的落月探测器上还搭载着一个“月面微型生态圈”。在这个小罐子里放置了两种植物的种子、蚕卵、土壤、水、营养液和空气以及微型相机和信息传输系统等科研设备,可进行史无前例的月面生态系统研究。


4. 探月工程首次向社会资本开放

 

此次探月工程向社会资本开放,鼓励社会资本、企业参与。据介绍,嫦娥四号将作为开发平台、验证平台、应用平台,为社会资本提供技术验证、产品搭载、数据应用等条件。探月工程三期总设计师胡浩表示,以嫦娥四号为试点,探索引入社会资本的新模式,对于打破航天工业壁垒、加速航天技术创新、有效降低工程成本、提高投资效益等具有积极作用和深远影响。在选择嫦娥四号中继星的整星方案和研制定点单位时,邀请了高校、科研院所、企业等多方单位参与竞争择优,这在深空探测领域尚属首次。

 

为了激发普通民众特别是青少年的探索热情,嫦娥四号预留了3千克载荷在全国范围内征集大胆创意。现已在全国征集的290多项方案中选择了20项优秀项目,其中有很多中学生和大学生项目,最后评选出了3个一等奖,然后从这3个项目中选出一个项目搭载在嫦娥四号上,以便起到很好的宣传效果。

 

那么,探索月球背面究竟有什么意义?月球是一个整体,月球的正面和背面在地质结构上有很大差别。因此在研究月球时,不但要研究月球的正面,还要研究其背面。

 

这次任务是人类第一次向月球背面未知区域的探索。它的着陆点是月球南半球的一个巨大陨石坑——艾特肯盆地,位于月球南极。这个直径2500千米、深达13千米的大坑,是月球最大的陨石坑,在整个太阳系也名列前茅。艾特肯盆地吸引科学家的不只是它的尺寸,更有魅力的是近年来发现这片区域有大量冰。据科学家分析,这些冰可能是彗星或小行星撞击的残留,在永久的黑暗中得以幸存。由于没有阳光的直接照射,这些冰并没有发生升华或离解。



自20世纪60年代以来,人类已经从月球轨道对这片冰进行了多次探测,包括:阿波罗15、16、17,月球勘测轨道飞行器(LRO)以及印度的月船一号绕月飞行器。月船一号还用撞月探测器(MIP)撞击这里,并通过轨道飞行器分析扬起的物质。嫦娥四号探测卫星将到达月球的南极,寻找月球水源。到那时将会对月球上是否有生命和水这个问题给出答案。关于月球的种种谜团,或将有答案。同时,南极艾特肯盆地将是月球基地的理想选址。这次嫦娥四号将进一步确认人类在这里生存并工作的可能性。


其次,月球正面和背面的电磁环境也存在很大不同,月球背面的电磁环境非常干净,是天文学家梦寐以求的理想场所,在这里可以开展空间科学领域最前沿的低频射电天文观测。受地球大气成分影响,低频射电研究一直都存在空白。如果能够在月球背面放一个低频射电频谱仪,将填补空白,推动科学界取得更大的进展。

 

 

此外,利用月球背面保存的最古老月壳岩石的独特条件可以开展地质特征调查,有望在国际上首次建立集地形地貌、浅层结构、物质成分于一体的综合地质剖面和演化模型,获得对月球早期演化历史的新认知。把月球研究好了,对研究整个地球未来的演化、全球温室效应、气候变化等都会有很好的帮助。

 

 

嫦娥四号将进行的科学研究

嫦娥四号的基本架构继承了嫦娥三号的着陆器和月球车,但科学载荷会有很大的变化。与嫦娥三号类似,嫦娥四号的着陆器上仍装有降落相机、地形地貌相机,并增加了国内新研发的低频射电频谱仪,以及德国的中子与辐射剂量探测仪,去掉了月基光学望远镜、极紫外相机。



低频射电频谱仪将利用月球背面没有地球电磁波干扰和天然洁净的环境,研究太阳爆发、着陆区上空的月球空间环境,还可以对来自太阳系行星的低频射电场进行观测,并“聆听”来自宇宙更深处的“声音”。


德国的中子与辐射剂量探测仪能探测着陆区的辐射剂量,评估未来载人登月航天员的危险度,提供相应辐射防护的依据。嫦娥四号的月球车上仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪,同时增加了瑞典的中性原子探测仪,去掉了粒子激发X射线谱仪。


瑞典的中性原子探测仪对于解决太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题有着重要的意义。

 

瑞典的中性原子探测仪


要实现嫦娥四号任务的工程目标,需突破4项关键技术,包括在复杂地形环境条件下的安全着陆、地月L2点轨道设计与控制、地月L2点远距离中继通信,以及同位素温差发电与热电综合利用。

 

嫦娥四号的三大科学研究是:①对月球背面的环境进行研究;②对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究;③最大的特色是在月球背面不受太阳的影响,在月球背面和中继星上分别装上低频射电探测仪,进行有关的研究。

 

如果嫦娥四号进展顺利,中国还将发射更多的无人探测器,并在15年内实现载人登月。

 

嫦娥未动“鹊桥”先行

为何嫦娥未动,“鹊桥”先行呢?这与嫦娥四号的任务有关。嫦娥四号是世界上第一个在月球背面软着陆的航天器。月球背面有很多的环境和条件是未知的,地形也非常复杂,嫦娥四号要实现在月球背面着陆并将月球探测的信息传到地面,有一个特殊的难题——通信。由于月球对通信信号的阻挡,从地面上很难指挥月球背面探测器的工作。为此,中国还要向月球背面和地球同时可见的地月L2点发射一颗名叫“鹊桥”的中继卫星,来执行测控、数传中继任务。

 

“鹊桥”架设在这个轨道上,既能“看见”地球,又能“看见”月球,可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换。它距离月球6.5万千米,距离地球44.9万千米,这是人类首次在此地搭建对月中继通信的卫星。

 

中继星飞行示意图


为什么要选择L2点?这是因为L2点是地月系统引力平衡点之一,始终可以同时见到月球背面和地球。“鹊桥”在L2点能够相对稳定地开展工作,这个点可以进行对月球的背面和对地通信,及进行其他一些探测工作,其中包括对月球的探测和对深空的一些探测工作。

 

“鹊桥”除了执行测控、数传中继任务外,也担负着重要的科研任务。在它上面搭载了两台国际合作载荷——荷兰研制的低频射电探测仪和沙特研制的月球小型光学成像探测仪,可进行有关的研究。例如,荷兰的低频射电探测仪将与位于地球上荷兰境内的LOFAR低频天文阵列等地面天文观测设施联合,首次开展43万~46万千米基线的地月空间VLBI(甚长基线干涉测量,该技术是把几个小望远镜联合起来,达到一架大型望远镜的观测效果)射电干涉测量实验,还将与嫦娥四号着陆器上中方研制的低频射电频谱仪之间形成干涉测量,有望对来自宇宙黑暗时期和黎明时期的21厘米氢谱线辐射进行探测,研究在宇宙大爆炸后的几千万年到一两亿年间,宇宙如何摆脱黑暗,点亮了第一颗恒星。


要探月背,中继先行。2018年5月21日凌晨5时,一条火龙划破了西昌宁静的天空,一枚长征四号丙运载火箭携带中继卫星“鹊桥”升空,25分钟后,火箭将“鹊桥”送入地月转移轨道后与卫星分离,“鹊桥”开始奔赴月球方向的地月L2点,为年底即将发射的嫦娥四号保驾护航。



经过20多天的精确飞行,承担嫦娥四号中继通信任务的“鹊桥”不畏宇宙射线、太空碎片的袭扰,跨越40多万千米于6月14日成功抵达绕地月L2点的Halo轨道,正式进入预定位置。随后“鹊桥”开始积极“备战”,为即将到来的嫦娥四号月球探测器打好前站、扫清障碍,搭建一条连接地球和月球信息的“生命线”。至此,20世纪50年代国际航天界提出的中继星Halo轨道的概念,被中国航天人变为现实。

 

“鹊桥”在这个轨道上运行时就像调皮的孩子,只要有一段时间不关注就会“离家出走”,甚至不知所踪。为了完成嫦娥四号探测器与地面测控站之间的数据中继,需要中继卫星时刻保持高稳定、高精度的姿态和角度,否则就会影响信息的传输,甚至影响嫦娥四号任务的完成。

 

为了让“鹊桥”在它的位置上老老实实地待着,顺利完成任务,中国的航天人采用了很多方法。专家们把提升航天器自主控制的智能化水平、精准化程度放在首位,在轨道控制策略上设计了速度增量关机和时间关机两种模式,对轨控关机前的发动机脉宽进行了精确设计。

 


此外,他们专门为“鹊桥”量身定制了具有高智能化水平、全天候、全天时、全空域运行能力的光纤陀螺惯性测量单元,彻底摆脱了之前姿态敏感器需要借助地球、太阳等天体来定位的束缚。为了防止信号中断、信息传送不准确,专家们为“鹊桥”配了多部“手机”。地面工作人员可以同时给这几部“手机”打电话,发出相同的遥测指令,规避因为距离远或其他未知因素造成的信号中断、信息传送不准确等问题。

 

“鹊桥”装备的S频段数字化深空应答机是我国首台数字化深空应答机,不仅具有对错误数据自我修正的功能,而且具有强大的灵敏度和信号捕获能力,为航天器稳定运行再上一道“安全锁”。同时,“鹊桥”装备的4.2米口径的高增益伞状抛物面天线,是人类深空探测任务史上口径最大的通信天线,可以实现对地、对月、对日和对惯性空间任意目标指向与跟踪的三轴稳定控制,将为嫦娥四号着陆器、巡视器与地面站之间的测控与数据传输提供有力支撑。


 

月面微型生态圈 

电影《火星救援》描述了主人公试图在火星上种植马铃薯的情节。现在,这一愿景有望被中国率先完成。


“月面微型生态圈”将作为一位特殊的乘客搭乘嫦娥四号登陆月球表面,实现人类首次在月球表面开展生物学实验的创举。“月面微型生态圈”是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形“罐子”,高18厘米、直径16厘米,净容积约0.8升,表面贴有我国国旗以及重庆大学和研究中心的标志。整个“罐子”仅重3千克,但是它的成本造价在千万元以上,里面的相机就高达60万元。这个“罐子”里将放置马铃薯种子、拟南芥种子、蚕卵、土壤、水、空气以及照相机和信息传输系统等科研设备。两种植物将在100天的实验期限内生根发芽,开出月球表面的第一朵花。蚕卵也将完成虫卵孵化、幼虫生长发育和破茧成蝶的完整生命周期。这项生物实验将通过小型照相机向全球直播。

 

“月面微型生态圈”初样


为什么在这次实验中,地面科学家们挑选了马铃薯、拟南芥的种子及蚕卵3种生物作为实验对象呢?其原因是:

 

1. 此次月面生物实验的目标是在月球表面实现动植物的一个生命周期。根据100天的实验期限,科学家选定了马铃薯、拟南芥和蚕。 

2.从生物自身的条件来考虑,选择的生物要相对能耐高温和低温,生长周期也不能很长。经过实验,这3种生物都是比较符合条件的。 

3. 选择马铃薯也是为人类下一步的太空生存提供支持,目前国际上很多国家和研究机构都将马铃薯作为人类在太空生存的主要食物。

4. 在动植物的选择上也会选择贴近普通人的生活、符合中国的文化传统,马铃薯是再常见不过的食物,蚕宝宝比较可爱,生长周期中也有破茧成蝶这一步骤,有比较好的寓意,象征着中国在空间探索的进步与创新。虽然这是一个小小的、科普性质的实验,但是要在月球上进行这项实验,还要克服种种困难。月球的环境十分恶劣,在月球上是连续14天白昼再转换为连续14天的黑夜,高温能达到100多摄氏度,低温又降到零下100多摄氏度。另外,月球上的紫外线没有经过过滤,动植物的生存需要面临高辐射、微重力等恶劣环境。这跟地球上的生存环境差距太大,这些都是要克服的难题。 

科学家们通过各种技术,使“月面微型生态圈”的内环境完全适合生物生长:在真空、微重力、极端温差的外界条件下,“月面微型生态圈”内将保持1~30℃的温度以及适当的湿度;装置里带有水和配备好的营养液,可供植物生长用;通过光导管引入月球表面自然光线,创造植物生长环境;植物通过光合作用产生氧气,供蚕“消费”,蚕生长过程则产生出植物所需的二氧化碳和粪便等养料,在“月面微型生态圈”登月的100天里,它将实现微型生态循环。

 

如果植物种子能在这个环境下发芽、生长、开花,蚕卵能正常孵化、幼虫成长发育、破茧成蝶,在一定程度上说明人类在月球居住不是梦想。如果实验成功,它将为人类开展地外星球生存提供技术保障和奠定基础。



嫦娥四号着陆器和月球车示意图 


我国的这次探索是人类首次在月面进行生物实验,与美国、俄罗斯等国家相比都是领先的。这次探索将证明,在众多国家中,我国的空间探索正由之前的跟随转换为领先、领跑。


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