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嫦娥四号:探寻月球背面的秘密

2019-06-17

发明与创新·大科技 2019年1期
关键词:嫦娥探测器轨道

从嫦娥一号登月成功,到嫦娥二号首次实现我国对小行星的飞越探测,嫦娥三号成功实现落月梦想,再到嫦娥四号的“月背”之旅……十几年的探索、38万公里的追寻,中国航天以“探月梦”托举“中国梦”,书写了人类文明发展历程中的惊鸿之笔。

备受期待的年终“航天大戏”终于来了。

2018年12月8日2时23分,嫦娥四号探测器(下称“嫦娥四号”)从西昌卫星发射中心出发,向遥远的月球飞去,人类首次月球背面软着陆巡视探测的大幕正式拉开。

千百年来,月亮一直是人类心中的神秘之所,思乡的情怀、探索宇宙的渴望,都交织在“举头望明月”的目光中。此前,我国探月工程也曾分别实施嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号等任务,对月球进行探测。然而,中国人及其探测器目光所及之处,仅仅是月亮的正面。

月球背面究竟是什么样,嫦娥四號将第一次身临其境地“触摸”它。

2018年12月12日下午,经过约110小时的奔月飞行,嫦娥四号到达月球附近。16时39分,北京航天飞行控制中心科技人员发出指令,嫦娥四号在距月面 129 公里处成功实施7500牛发动机点火。

16时45分,嫦娥四号发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断,嫦娥四号顺利完成“太空刹车”,被月球捕获,进入近月点约100公里的环月轨道,近月制动获得圆满成功。

鲜为人知的是,嫦娥四号不但实现了准时发射、准确入轨,还创造了一个奇迹。按照原计划,嫦娥四号在近月制动前,要实施3次轨道中途修正,结果只在12月9日进行了1次,就达到预期目标。这样一来,嫦娥四号节省了用来修正轨道的燃料,从而更有利于执行后续任务,并延长设备寿命。

嫦娥四号在环月轨道运行18天后,其间不断调整环月轨道高度和倾角,进行与中继星中继链路、导航敏感器的在轨测试,于2018年12月30日8时55分,成功实施变轨控制,顺利进入预定的月球背面着陆准备轨道,预计这次着陆将在2019年1月3日进行。

与之前“奔月”的姐妹们不同,这次嫦娥四号瞄准的是月球背面,那么,嫦娥四号软着陆背后有哪些不为人知的秘密?

嫦娥四号于2018年12月12日进入环月轨道,截至2018年12月31日,嫦娥四号已经绕着月球飞行了19天。对此,有网友问,嫦娥四号为何迟迟不落月?

有专家解释,嫦娥四号要等着陆区天亮。月球整体光照情况显示,嫦娥四号进入月球轨道时,它的预定着陆区南极-艾特肯盆地一带正在进入夜晚。黑灯瞎火降落,万一摔跟头怎么办?由于一个月夜相当于地球上的14天,所以嫦娥四号需要多飞一阵,等到落区太阳高照时降落,当然更加稳妥。

但北京航天飞行控制中心轨道专家组组长刘勇指出,嫦娥四号之所以要经过这么久的太空飞行,原因不仅于此,还跟嫦娥四号的入轨倾角与落区位置有关。

刘勇说,嫦娥四号进入环月轨道时,其轨道面与地月连线基本垂直,而它的着陆点经度在180度左右。这意味着当时嫦娥四号的轨道并不经过落点,其间大约有270度的偏差。这需要通过月球自转,花费时间逐渐弥补。

既然要等,为何不能推迟半个月发射?这就涉及发射窗口的问题。嫦娥四号的发射时间要考虑很多的约束条件,使它与日、地(包括地面点和近地轨道)、月(包括着月点)的相对关系满足任务需求。例如,奔月轨道需要调整近月点经度和飞行时间,让环月轨道临近着月点上空,为登月创造条件;奔月飞行过程中,要考虑太阳能帆板的受晒问题,要求太阳光入射方向与太阳帆板之间的夹角保持在一定范围内。此外,在飞行和着陆过程中,还要考虑连续测控问题。在此背景下,嫦娥四号形成发射机会的交集只在2018年12月8日和9日各有2次,加起来也只有几分钟,正所谓“过了这村就没这店”。

千百年来,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,所以地球上的人们只能看见月球的正面。月球的背面,成为了“秘境中的秘境”。

各种月球探测器拍摄的月球照片显示,月球背面这张“面孔”并不漂亮,是一张“麻子脸”,陨石坑数量比月球正面要多得多,放眼望去随处可见,密密麻麻。月背的“皱纹”也多,布满沟壑、峡谷和悬崖,而月球正面相对平坦的地方比较多。此外,月球背面还是个“厚脸皮”,它的月壳从整体来讲比正面要厚。究竟是什么原因导致月壳厚度不一样,众说纷纭,至今仍是天文学界的一个未解之谜。

嫦娥四号在月球背面降落还有更多科学目的。月球分为三大地体,即克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾特肯盆地地体。前两个地体,美国、苏联都着陆巡视探测过,只有艾特肯盆地地体没有近距离就位探测过,因此这块区域目前就近距离巡视探测而言,属于处女地,在科学上会有很多新发现。

“月球背面是科学家们梦寐以求的地方。”我国月球探测工程首席科学家欧阳自远说,因为月球背面是接收低频辐射的一个完美场所。“只有到月球背面去,才能够获得这些人类从未得到过的信息,而这些信息将蕴藏丰富的科学内容。”

由于屏蔽作用,在地面上无法开展低频射电观测。受地球磁环境的影响,在月球正面开展低频射电观测效果也不尽如人意。恰恰由于月球背面的磁环境非常干净,没有来自地球的无线电波干扰,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天文望远镜,就好像把“天文台”搬到了月球背面。

嫦娥四号降落地点为南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑,这个着陆点是如何选出的?

中国航天科技集团五院嫦娥四号探测器总设计师孙泽洲说,嫦娥四号是嫦娥三号的备份,嫦娥三号的着陆区在北纬45度左右的虹湾地区,探测器是按照这一纬度的光照条件设计的热控系统和太阳翼。而大部分继承了嫦娥三号设计的嫦娥四号首选着陆区纬度也在40度至50度之间。

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