科普 / 中國登月探測器「嫦娥四號」,將著陸、探索神秘的月球背面

▲2018年12月8日2時23分,中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭,成功發射嫦娥四號探測器,開啟了月球探測的新旅程。新華社記者江宏景攝

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嫦娥四號探測器後續將經歷地月轉移、近月制動、環月飛行,最終實現人類首次月球背面軟著陸,開展月球背面就位探測及巡視探測,並通過已在使命軌道運行的“鵲橋”中繼星,實現月球背面與地球之間的中繼通信。

嫦娥四號任務的工程目標:

一是研製發射月球中繼通信衛星,實現國際首次地月拉格朗日L2點的測控及中繼通信;

二是研製發射月球著陸器和巡視器,實現國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。

嫦娥四號的科學任務,主要是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究;

開展月球背面巡視區形貌、礦物組份及月表淺層結構探測與研究;

試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。

以下為嫦娥四號官方宣傳短片:

以下內容來源:航天面面觀(微信id:Spaceflightfans)

等了好久終於等到今天!

嫦娥四號落在月球的哪個地方?乘坐什麼「交通工具」?又帶了哪些「行囊」?此次任務有何亮點?……

接下來「太空面面觀」就帶大家詳細了解一下嫦娥四號任務。

人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察

在過去的半個多世紀裏,人類已經發射了100多個月球探測器,其中有65個月球著陸器。

但僅有不載人的環月軌道器和載人的阿波羅號,看到過月球背面,至今沒有任何一個月球探測器能夠實現在月球背面著陸。

目前得到的有關月球背面信息,都是通過遙感探測和所拍照片而獲得的。

▲月球背面的第一張影像,由前蘇聯的月球3號探測器在1959年拍攝。(圖片來源:NASA)

2013年12月,「嫦娥三號」成功降落在月球正面雨海北部區域,實現了我國太空飛行器在地外天體的軟著陸,通過月球車實現了月面行走。

作為嫦娥三號探測器的「備份星」,嫦娥四號在設計、製造和性能上,都與嫦娥三號基本相同。

剛開始很多專家都認為嫦娥四號還是落到月球正面,覺得這樣比較牢靠,技術風險小,不要節外生枝了。

但是嫦娥一號總指揮兼總設計師、「嫦娥」系列月球探測器總指揮兼總設計師顧問葉培健院士,主張落到月球背面。

▲「嫦娥」系列月球探測器總指揮兼總設計師顧問葉培健院士。(圖片來源:人民網)

▲嫦娥三號探測器著陸位置。(圖片來源:@太空面面觀)

葉院士認為,落到月球背面,如果成功了是一大亮點;如果不成功,因為這是人類第一次,也可以原諒。

正面我們已經去過了,輕車熟路,基本沒什麼風險,但憑借著敢創新、敢冒險的精神,提出了著陸在月球背面的方案,經過深入論證和多方案反復比較,最終決定,讓嫦娥四號著陸在月球背面!

▲嫦娥四號預著陸區(45°S-46°S, 176.4°E-178.8°E)初步選定為月球背面南極-艾特肯(South Pole-Aitken,SPA)盆地內的馮·卡門(Von Kármán)撞擊坑內。(圖片來源:《深空探測學報》)

選擇月球背面南極艾特肯盆地著陸,因為這裡是國際關注的熱點,被科學家認為最有可能出科研成果的地方。

這裡被認為是太陽系內最大、最古老的撞擊坑,保存了原始月殼的巖石,具有極高的科學研究價值。

艾特肯盆地是太陽系中已知的最大撞擊構造,是回答關於月球的幾個重要問題的關鍵區域。

確定交通工具:長征三號乙運載火箭

▲發射嫦娥四號探測器的長征三號乙運載火箭。(圖片來源:中國運載火箭技術研究院)

承擔嫦娥四號發射任務的長征三號乙改進型火箭,是長征三號乙火箭的升級版。它擁有更強的運載能力、更高的入軌精度、更強的發射可靠性、更「人性化」的設計。

因為要在月球上軟著陸,嫦娥四號著陸器有「四條腿」,設計師們為其量身定制了一個高支架,使其能穩穩當當地「坐」在火箭上。

▲嫦娥四號的「行囊」

目的地確定了、「交通工具」也確定了,38萬公裏的非凡旅程,為了降落到月球背面開展研究,太空科技人員不知耗費了多少心血。

我們要去月球背面探索未知、獲得第一手科研數據以供科學家們分析研究、發表論文。

獲得第一手科研數據、實現科學目標最直接的工具,就是有效載荷(有效載荷是指太空飛行器上裝載的為直接實現太空飛行器在軌運行要完成的特定任務的儀器、設備、人員、試驗生物及試件等。)。

根據任務特點及科學目標,科學家們會研制不同儀器設備,嫦娥四號的科學探測任務包括:

利用月球背面的有利條件開展低頻射電天文觀測、著陸區地質特征、粒子輻射環境探測、巡視區月表形貌與地質構造調查、月表物質成分和資源勘察、月球次表層結構探測。

根據這些科學探測任務目標,嫦娥四號將配置什麼載荷呢?


▲圖片來源:@太空面面觀

嫦娥四號探測器由著陸器、巡視器和中繼星組成。

為嫦娥四號著陸器、巡視器登陸月球背面架設通信橋梁的「鵲橋」號中繼星,已經於2018年5月21日成功發射,順利進入使命軌道運行。

接下來我們聊聊嫦娥四號著陸器和巡視器(月球車)的有效載荷配置情況。

與嫦娥三號類似,嫦娥四號的著陸器上仍裝有降落相機、地形地貌相機

巡視器上的全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀都被保留。

新增載荷則包括:

著陸器上,有德國基爾大學的月球中子及輻射劑量探測儀;還有低頻射電頻譜儀

巡視器上,增加了和瑞典合作的中性原子探測儀

同時也去掉了一些載荷,包括著陸器上的月基光學望遠鏡、極紫外相機、巡視器上的粒子激發X射線譜儀

▲圖片來源:新華社

咦?嫦娥四號著陸器上面咋有三根大天線?

這就是上面提到的「低頻射電頻譜儀」,由中科院相關單位研制。

月球背面是天文界公認的觀測低頻射電天文的最佳場所。

在月球背面布設低頻天線開展0.1-40MHz的低頻射電天文觀測,將進一步開創天文觀測的新領域,將有機會發現宇宙天體演化中的新現象、新規律。

預計在2019年3月左右,嫦娥四號將釋放3根5米長的接收天線,每根天線都與其他天線成直角。在月球背面開展低頻射電探測。

▲嫦娥四號巡視器(月球車)模型。基本繼承了「玉兔號」的外形和狀態,呈長方形盒狀,總重量約140公斤,長1.5米,寬1米,高1.1米。

除了國際合作載荷外,值得一提的是,國內高校也加入了載荷研制隊伍。

2016年9月20日,為期近10個月的「月球探測載荷創意設計征集活動」在北京落下帷幕。

來自中科院地質與地球物理所和西安光機所團隊設計的「CCD圖像感測器月塵探測儀」、浙江大學團隊設計的「月衛立方星」、重慶大學團隊設計的「月球衛星迴圈生態系統」等三項創意設計獲得一等獎。

此次將登陸月球背面的就是其中的一個創意設計,由教育部深空探測中心牽頭、依托重慶大學聯合28所大學研發的生物科普試驗載荷將一個小型生物圈送上月球,開展相關科學研究。

這次實驗雖然需要克服諸多困難,但意義深遠,它將成為人類首次月面生物實驗,對人類未來在地外星球生存具有重大意義。

▲科普載荷「月面微型生態圈」初樣件。(圖片來源:重慶大學)

「月面微型生態圈」是一個由特殊鋁合金材料制成的圓柱形「罐子」,高18厘米,直徑16厘米,凈容積約0.8升,總重量3公斤。

小「罐子」裏乾坤大,裡面將放置馬鈴薯種子、擬南芥種子、蠶卵、土壤、水、空氣,以及照相機和信息傳輸系統等科研設備。

此次月面生物實驗的目標,是在月球表面實現動植物的一個生命周期。

根據100天的實驗期限,科學家選定了馬鈴薯、擬南芥和蠶。這兩種植物將生根發芽,開出月球表面第一朵花。

同時,馬鈴薯還可作為人類太空生存食物來源,其實驗價值更加重大。

蠶卵則將在生態圈中完成蟲卵孵化、幼蟲生長發育和破繭成蝶的完整生命周期。

再過幾個月,月球將迎來綠色、迎來希望!期待開出月球表面第一朵花!

「月面微型生態圈」科普載荷,可以說是小「罐子」裏乾坤大,期待早日看到月球上的第一朵花!

著陸過程驚心動魄 難度不小!

按計劃,嫦娥四號探測器後續將經歷地月轉移、近月制動、環月飛行,最終實現人類首次月球背面軟著陸。

這一過程大概需要26天的時間,據此推算,著陸日期預計在2019年1月3日左右。

在環月圓軌道運行期間,擇機實施軌道機動,進入100km×15km的橢圓軌道,並擇機在近月點實施動力下降。

整個動力下降過程分為6個階段:主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段。

▲嫦娥三號、嫦娥四號動力下降過程對比圖。(圖片來源:《深空探測學報》)

嫦娥四號著陸區為月球背面,相對嫦娥三號著陸區地形起伏程度明顯增加,為了不撞到峭壁,將采取近乎垂直的著陸方式

嫦娥四號落月難度要比嫦娥三號大! 嫦娥四號落月是一場硬仗! 難度不小!

通俗的講,嫦娥三號相當於在華北平原著陸,嫦娥四號則相當於在崇山峻嶺的雲貴川地區著陸。

▲圖片來源:中國太空科技集團

著陸器、巡視器組合體在著陸時,今年5月份發射升空並進入使命軌道的「鵲橋號」中繼星就要大顯身手了,它將與地面建立上下行通信鏈路,將拍攝的月面圖像傳回地球。

探測器、地球、月球之間架起了一座通信的「橋梁」,鵲橋號,期待你的精彩表現哦!

為避免出現「玉兔號」月球車故障,月球車升級!

著陸器巡視器組合體落月後,巡視器,也就是月球車將通過轉移機構駛離著陸器到達月球表面。

2013年12月,玉兔號月球車行駛到月面後,它的一舉一動都牽動著38萬公裏外那個藍色星球上人們的心,

2014年初,玉兔號在進入第二個月夜之前,就出現了故障,故障始終未能排除,導致玉兔號月球車不能繼續行進。

▲玉兔號月球車,最終在月球上只累積行駛了約114.8m。(圖片來源:中國探月工程網站)

從上圖中可以看到,規劃好的路徑無法實現行駛探測了。

非常遺憾!按原計劃,玉兔號月球車將在月球表面行駛10公里。

▲嫦娥四號月球車。(圖片來源:互聯網)

在溫差達300攝氏度的月球表面,裸露在外的電纜極易出現故障,如今科研人員吸取這一教訓,對電纜進行了最小化的裸露改進,還針對鉤掛、摩擦等應用場景做了上千次試驗,提升了月球車整體可靠性。

據了解,嫦娥三號著陸器和月球車設計壽命分別為1年和3個月,但實際上著陸器目前仍在運行,如今的嫦娥四號月球車設計壽命也是3個月,運行時間預計將比玉兔號更長。

嫦娥三號月球車「玉兔號」在月面累積行駛了114.8米遺憾告終,嫦娥四號月球車將會行駛多遠呢?拭目以待吧!


▲嫦娥四號月球車加油啊!向榜樣學習!

嫦娥四號月球車周身銀光閃閃,耀眼奪目。

實際上它外面包裹的這一層「白銀聖衣」是為了反射月球白晝的強光,降低晝夜溫差,同時阻擋宇宙中各種高能粒子的輻射,來支持和保護月球車搭載的多套科學探測儀器。

▲探月工程嫦娥四號任務月球車全球征名活動,啟動儀式在北京舉行。圖為中國工程院院士、探月工程總設計師吳偉仁介紹嫦娥四號任務月球車的相關情況。1:1比例模型。真實的月球車就這麽大。新華社記者 肖磊濤 攝

據了解,月球車採用的是在月晝時工作、月夜時休眠的作息模式。

在經歷了月夜期間極低的溫度後,可伸縮的太陽能電池帆板會在夜晚的時候自動收起來,搭成一個小房子的樣子,將儀器設備都包在裡面。從而保護各種儀器不會被凍壞,確保月球車有剩餘電力自動甦醒。

為了保證儀器設備在月夜零下180℃的環境中不被凍壞,月球車還配置了同位素熱源,為儀器設備供熱。

通過前面的介紹,相信大家對嫦娥四號任務已經有了詳細的了解,接下來要做的就是關注嫦娥四號的飛行、著陸,更多精彩,敬請期待!

以下為嫦娥四號官方宣傳短片:

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