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揭開月球另一面的面紗 奔向月球背面的嫦娥四號

字體 2018-12-12 14:27:01
     來源: 光明日報  

嫦娥奔月的古老神話在當代中國重新演繹,并不斷延伸出新的“版本”。12月8日凌晨2時23分,我國探月工程再次出發——嫦娥四號成功發射。與以往任何一次不一樣,嫦娥四號最終將降落在月球背面,實現人類首次月球背面軟著陸和巡視探測。“這將是創造歷史的重大成就。”中國科學院月球與深空探測總體部主任鄒永廖表示。

從20世紀50年代起,人類從未停止探月的步伐,發射到月球的探測器已經有100多個,但至今沒有一個在月球背面著陸并進行探測。目前有關月球背面的信息都是通過遙感探測和所拍照片獲得的,比較有限。對于人類來說,月球背面一直是一片神秘地帶。當我們對月球正面的認識逐漸深入的時候,對另一面卻知之甚少,嫦娥四號將第一次近距離地揭開它的面紗。

月球背面的魅力

很多人可能并不知道,嫦娥四號最開始是嫦娥三號的備份。“一旦嫦娥三號有變故,嫦娥四號就頂上。”嫦娥四號探測器飛控試驗隊副隊長、項目顧問譚梅回憶,結果嫦娥三號任務很成功,于是帶來另一個問題:下一發射任務(即嫦娥四號)到底怎么做?有科學家建議將探測器落到月球背面,也有人建議落到月球南極。經過論證,最后選擇了月球背面。

由于月球的自轉周期恰好等于公轉周期,因此它的一面總是朝向地球,另一面總是背向地球,人類在地球上只能看到月球的正面,看不到背面。這個看不見的一面,對我們認識月球甚至宇宙很重要。因為無論是物質成分、形貌構造上還是巖石年齡,月球背面和正面都有很大的差異。“從整體上看,月球背面的巖石更加古老。獲取更古老的巖石類型等物質成分信息,對我們了解月球的演化過程有很大幫助。”鄒永廖說。

根據計劃,嫦娥四號將會降落到90%的面積都分布在月球背面的艾肯盆地上。月球分為三大地體,即克里普巖地體、斜長高地巖地體、艾肯盆地地體。“前兩個地體美國、蘇聯都曾著陸和探測過,只有艾肯盆地地體沒有近距離探測過,是一塊處女地,在科學上會有很多新的發現。”鄒永廖解釋,艾肯盆地是整個太陽系固體天體中最大最深的盆地,直徑大概2500公里,深度約12公里,對其進行探測可以獲取月球深部物質的信息。

此外,艾肯盆地目前被科學界認為是39億年前撞擊形成的。在太陽系形成的46億年歷史里,撞擊非常多,39億年前正好是撞擊的峰值。“按照常規理論,撞擊密度、頻度、強度應該是越早越大,為什么這個峰值出現在39億年而不是更早?到艾肯盆地開展精細探測,也許可以解開39億年撞擊峰值這個科學之謎。”鄒永廖很期待。

到月球背面還有一個重要原因,即開展低頻射電天文觀測。“這一目標是天文學家夢寐以求的,可以填補射電天文領域上在低頻觀測段的空白。”鄒永廖解釋,由于地球電磁環境的原因,在月球正面開展低頻射電觀測效果很不好。月球背面的電磁環境非常干凈,為開展空間科學領域最前沿的低頻射電天文觀測與研究提供了理想場所。

落月球背面不容易

“一把就直接落到月球背面”,這是當時嫦娥四號任務確定后大家作出的決定。譚梅用了一個詞來形容這個決定——“藝高膽大”。因為,要一次就實現在月球背面著陸和巡視探測,并不容易。

首先,必須確保嫦娥四號能被準確地送到預定軌道。嫦娥四號要發射到遠地點約42萬公里的軌道,比嫦娥三號38萬公里的軌道更遠,對火箭入軌精度的要求也更高。中國航天科技集團一院火箭系統總指揮金志強介紹,嫦娥四號只有連續兩天的發射窗口(最佳發射時間),這兩天里每天有兩個發射窗口。一般的衛星發射窗口大概是一個小時甚至更長時間,但嫦娥四號一天里的發射窗口只有3分鐘,其中第一個發射窗口有效寬度2分鐘,46分鐘后進入第二個發射窗口,窗口寬度僅1分鐘,必須在這兩天的3分鐘內發射。“如果第一次沒有打上去,必須拆卸檢查,要花掉不少時間,肯定會錯過剩下的窗口期。”

為了確保準時發射和準確入軌,科研人員對火箭的可靠性進行了改進。與嫦娥三號相比,嫦娥四號的火箭一共進行了65項技術改進,分布在發動機、控制系統、測量系統、箭體結構、增壓輸送系統、發射支持系統等13個箭上和地面分系統。而且,針對窄窗口發射、冬季發射等特征開展專題風險分析,制定了520項預案。

進入預定軌道,最終能否準確降落到月球背面并開始巡視探測,又是一個難題。嫦娥四號在月球背面軟著陸,但將受月球自身遮擋,無法直接與地球進行測控通信和數據傳輸。也就是說,我們與嫦娥四號見不著面、對不上話。怎么辦?

解決辦法是建一個“通信中繼站”,讓嫦娥四號的通信數據通過中繼站發往地球。不過,中繼星的位置必須處于地球與月球引力平衡的平衡點,即地月拉格朗日L2點,此前國際上沒有過發射和運行在該位置的衛星。但中國航天人總是能迎難而上。2018年5月,嫦娥四號中繼星成功發射并進入環繞L2點的使命軌道,它有一個很形象的名字——“鵲橋”,即為地月通信搭建橋梁。

有了“鵲橋”,嫦娥四號可以放心地登上月球背面。在嫦娥四號動力下降以后,地面無法“看到”著陸器或者巡視器,各項測控工作都將通過中繼星來完成,包括數據接收、狀態監視以及對月球車在巡視過程中的操作控制等。

期待新的科學發現

如果一切順利,嫦娥四號探測器后續將經歷地月轉移、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。當落地的那一刻,我們期待什么?

我們為嫦娥四號選擇了月球背面這樣一個目的地,這個目的地告訴了我們要做什么、期待什么。根據計劃,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。

專家表示,通過低頻射電天文觀測,我們可以研究宇宙起源和星球起源等;對月球低質的探測和剖析,我們可以進一步認識月球的演化細節,甚至發現新的巖石、物質類型等;對月表環境里的中子輻射劑量、中性原子等的探測,我們可以研究宇宙粒子輻射和太陽風,為開發月球和載人登月做準備,還可以尋找水資源。

當然,嫦娥四號的科學目標遠不止于此。“對于任何一個地外天體而言,探測其空間和表面環境、地形地貌、物質成分、內部結構等,是遠遠不夠的,還應從比較行星學的方法論出發,系統地開展對地球、火星、月球等天體的比較研究,這樣才能更好地認識它們。從這個意義上講,嫦娥四號對后續深空探測有重要意義。”鄒永廖說。(本報記者陳海波)


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編輯:任梓嘉

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