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完成了中国月球探测必要性与可行性研究

发表时间:2018-12-08 10:32 阅读:
  8日凌晨2时许,嫦娥四号月球探测器由长征三号乙改进型运载火箭成功发射,将实现人类首次月球背面着陆和巡视勘察。为啥要去月球背面?
 
  2018年12月8日凌晨02:23分,嫦娥四号月球探测器由长征三号乙改进型运载火箭成功发射。
 
  嫦娥四号将对月球背面南极艾特肯盆地开展着陆巡视探测,实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。为什么要去月球背面?软着陆难度又多大?中国的探月工程,未来又将如何发展?
 
  从“备份”到“备受瞩目”
 
  嫦娥四号的逆袭之路
 
  这几年,有个叫做“备胎逆袭”的词语很火,但谁能想到,如今备受瞩目的嫦娥四号,最早的身份竟是“备胎”,甚至一度计划取消发射!
 
  2013年12月14日,嫦娥三号月球探测器在月球西北部成功软着陆,中国成为世界上第四个掌握月球探测登陆技术的国家。但与此同时,作为嫦娥三号备份星的嫦娥四号,身份就异常尴尬了。
 
  所谓“备份星”是指在先导星工作失效的情况下,接替先导星工作的卫星。在嫦娥系列卫星中,嫦娥一号、三号、五号这几个奇数命名的探测器是先导星,偶数则为正星的备份星。也就是说,嫦娥四号诞生之初,是个不折不扣的“备胎”。
 
  因此,关于“嫦娥四号做什么”的讨论,相关科研人员一度产生了分歧,争执辩论了2年时间,有人甚至提出“节约资金不发射”的主张。举棋不定之时,“嫦娥”系列月球探测器总指挥兼设计顾问叶培健院士站了出来,他不仅主张发射嫦娥四号,还主张让嫦娥四号到月球背面去看一看。
 
  按照最早的计划,即便嫦娥四号进行发射,降落点也在月球正面。但叶培健院士却认为,再落一次月球正面意义不大,他向主管领导提议,“落到月球背面,成功了是一大亮点,即便不成功,也是人类第一次,可以原谅。”功夫不负有心人,有关单位组织了多次讨论之后,终于通过了月球背面降落的方案。
 
  不过,降落月球不是车场倒库,正面背面一字之差,技术难度却是天壤之别,最棘手的就是通讯问题,也是人类从未涉足的重要原因之一。因此在飞行器登陆之前,必须先发射中继卫星来进行通信传输。
 
  今年5月,嫦娥四号的先行者“鹊桥号”中继星在我国西昌卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射;6月14日11时06分,鹤桥号中继星成功实施轨道捕获控制,进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点Halo使命轨道。它将在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试,并为嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。
 
  而此次嫦娥四号的着陆器和巡视器(月球车)由长征三号乙(CZ-3B)运载火箭发射,送入倾角28.5°、近地点高度200 km、远地点高度约42万 km的地月转移轨道,正式开启揭开月球背面神秘面纱的征程。
 
  嫦娥四号为何不在最新落成的海南文昌基地发射?原中国载人航天工程应用系统总指挥,现任中国空间学会副理事长张厚英告诉北京科技报|科学加客户端记者,文昌发射基地主要发射大型运载火箭,此次发射卫星的长征三号乙运载火箭,属于中型火箭,从节约资源、提高效率的角度看,西昌发射中心完全可以满足发射要求,也就无需“跨洋过海”去海南发射了。
 
  月球背面有什么?与正面以月海平原为主不同的是,月球背面基本上都是山地、高原,布满了撞击坑,环境十分复杂。打个比方来说,月球正面的月海如果是华北平原的话,那月球背面的月陆就是横断山脉。
 
  为何要去月球背面?有一种观点认为,月球背面并没有什么科学价值。但实际上,如同人类在地球上探测南极、北极这些地方一样,月球背面是人类航天器还没有着陆过的处女地,既有望获得有价值的重要科学发现,也有利于突破技术难关,提升航天技术能力。
 
  据介绍,月球是屏蔽地球上的无线电噪声的最好隔绝装置,因此在月球背面放置射电望远镜,对开展射电天文观测,有利于探测和发现宇宙中极微弱的射电信号。
 
  ▲月球正面与背面对比图,正面的月海平原颜色较深,地形比较平滑;而月球背面以月陆为主,地形崎岖,南部有一个巨大的撞击盆地,嫦娥四号探测器将着陆区域瞄准在南极-艾肯盆地(South Pole-Aitken Basin),这是一个具有重要科学价值的巨大撞击坑,可能的着陆点初步确定为冯·卡门撞击坑(Von Kármán)附近。  ▲月球正面与背面对比图,正面的月海平原颜色较深,地形比较平滑;而月球背面以月陆为主,地形崎岖,南部有一个巨大的撞击盆地,嫦娥四号探测器将着陆区域瞄准在南极-艾肯盆地(South Pole-Aitken Basin),这是一个具有重要科学价值的巨大撞击坑,可能的着陆点初步确定为冯·卡门撞击坑(Von Kármán)附近。
 
  但是,月球背面降落的难度着实不小,历史上所有的月球探测器,在月球的降落点无一例外都是地形平坦、光照充足、通信情况良好的地区,并且都是月球正面。但嫦娥四号恰恰相反,选择月球背面降落,颇有“明知山有虎、偏向虎山行”的意味。
 
  具体来看,在月球背面登陆还有许多需要解决的问题,例如在太阳板失效的情况下,如何保证登陆器正常功能?在月夜超低温环境下,登陆器如何不受干扰?月球背面崎岖的地形上,登陆器如何准确着陆?此外,月球背面等离子体环境更加恶劣,对登陆器也是个不小的考验。
 
  此次,由中国航天科技集团有限公司抓总研制的嫦娥四号着陆器和月球车,尽管外形上和嫦娥三号月球车“玉兔”颇为相似,但实际上,针对月球背面复杂的自然环境,在适应性更改和有效载荷配置调整方面,嫦娥四号进行了多项有针对性的调整。
 
  在温度控制防护方面,更好迎战昼夜极热极冷的月面环境,是嫦娥四号月球车升级提高的重要方向之一。为了保证所有设备在月夜零下180摄氏度的环境中不被冻坏,科研人员专门配置了同位素热源为仪器设备供热。除了温度控制防护之外,嫦娥四号月球车还针对线路方面,进行了设计改进和试验验证,使着陆器具备了很高的自主导航和避障功能。
 
  在科学载荷方面,嫦娥四号月球车延续了“玉兔”当年探月国产“三大件”,即全景相机、红外成像光谱仪和测月雷达。除此之外,嫦娥四号月球车还有一个“杀手锏”,那就是与瑞典合作的中性原子探测仪,这将是人类探月史上首次在月表开展这项探测活动。
 
  ▲具有科普教育意义的“月面微型生态圈”将随嫦娥四号“登陆月球”▲具有科普教育意义的“月面微型生态圈”将随嫦娥四号“登陆月球”
 
  值得一提的是,嫦娥四号月球车的总重量只有140公斤,是目前全球最轻的月球车。而1970年苏联发射的世界第一台无人驾驶月球车,此车重量约为756公斤。
 
  作为嫦娥四号的“乘客”之一,月面微型生态圈也将入主月球,用于天体生物学实验和大众科普,使得嫦娥四号同时具备了科普教育功能。据了解,这个生态圈是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形罐子,重3公斤,罐内将放入马铃薯种子、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。届时,研究人员将密切关注罐内变化,看看能否开出一朵“月球花”。
 
  多项技术待完善
 
  嫦娥工程载人登月任重道远
 
  2007年,探月工程先驱者“嫦娥一号”以受控撞月的方式 “粉身碎骨,捐躯报国”,额外完成任务;2010年,嫦娥二号在制作完全月球地图之后远飞深空,至今仍在不断地刷新着“中国高度”;2013年,嫦娥三号与她所携带的“玉兔号”月球车一同实现了登陆月球。
 
  沉寂了将近5年之后,如今“嫦娥四号”和“嫦娥五号”将带着探月工程的使命继续出发,中国人自古以来的探月梦想,也将一步一步变为现实。
 
  事实上,中国探月工程的正式建立和开展早已开始,早在九十年代初,中国月球探测工程首席科学家、被誉为“嫦娥之父”的欧阳自远院士就开始向“863”计划专家组提议,提出我国应该开展探月探测工程,但在环绕地球的神舟号航天飞船还未发射的彼时,不少人都觉得他的计划很荒唐,甚至有人骂他不切实际。
 
  但欧阳自远一直坚信,中国不仅能搞探月,而且一定能搞好!为此,他与专家组花费了一年时间,完成了“中国月球探测必要性与可行性研究”。顶着质疑,经过几十年的相关科研知识研究与积累,2004年“嫦娥工程”被国务院正式批准立项。三年之后,嫦娥一号随即升空。
 
  “嫦娥工程”按计划分为“无人月球探测”“载人登月”以及“建立月球基地”3个阶段。2020年前,中国月球探测工程以无人探测为主,分“绕”“落”“回”三个实施阶段,与之对应的则是“嫦娥一号”“嫦娥三号”和“嫦娥五号”卫星。
 
  如今“绕”和“落”的两个步骤已经顺利完成,2019年,嫦娥五号将择机发射,并从月球带回两公斤重的月面土壤等样品,完成“绕落回”中的最后一个步骤,也是技术难度最大的“回”。
 
  2016年11月03日,海南省文昌市,20时43分,中国最大推力新一代运载火箭长征五号,在中国文昌航天发射场点火升空,约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。  2016年11月03日,海南省文昌市,20时43分,中国最大推力新一代运载火箭长征五号,在中国文昌航天发射场点火升空,约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。
 
  历史上,不少人质疑美国阿波罗11号登月真实性,质疑点就在返回设备上,认为阿波罗11号登月舱,根本不具备从月球起飞,并对接轨道仓的技术。明年发射的嫦娥五号,成功采集月球土壤样本之后,将放入着陆器的上升段,该段从月面点火升空进入月球轨道,并与轨道器和返回器的联合体交会对接,将样品转移至返回器内。随后,轨道器携带返回器点火飞向地球。如果任务成功,嫦娥五号将突破“返回”方面的多项技术,为载人登月打下坚实基础。
 
  张厚英表示,嫦娥五号已经无限接近真实的载人登月,两者之间最大的区别在于生命保障系统,因此嫦娥五号必须用载重量达25吨的长征5号运载火箭才能发射。尽管2017年长征5号的发射失败,给整个嫦娥工程的发射计划带来了一定影响,但他相信,明年的嫦娥五号一定能够成功发射,未来重载火箭的研发应用也将有序进行。
 
  除了重载火箭,还有新型载人飞船、载人登月飞行器、载人月面着陆器、月面机动与探测、登月航天服、月面驻留与原位资源利用、航天员健康与保障、地月空间测控通信等一系列关键技术,都需要中国航天人去一一克服,嫦娥工程实现载人登月乃至建立月球基地,依然任重道远。

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