嫦娥四號奔向「月之暗面」 4大關鍵問題都在這了

新京報快訊(記者 倪偉)今天(12月8日)凌晨2時許,大陸嫦娥四號月球探測器在西昌衛星發射中心成功發射,大陸第二個月球著陸器和月球車踏上登月征程。發射任務由長征三號乙運載火箭實施。

火箭將探測器送入地月轉移軌道後,探測器將經過數十天在軌飛行、 軌道修正、近月制動、變軌等,最終著陸月面,擇機釋放巡視器。

嫦娥四號的目的地是月球背面南極艾特肯盆地,新月球車將與「玉兔」號在月球兩面遙遙相對。這將是人類探測器首次在月球背面著陸,在人類從未直接看見的「月之暗面」實施月球探測和天文觀測。

長征三號乙遙三十運載火箭整裝待發,準備送嫦娥四號前往月球。供圖/航天科技集團一院長征三號乙遙三十運載火箭整裝待發,準備送嫦娥四號前往月球。供圖/太空科技集團一院

問題1:嫦娥四號降落在哪兒?

5年前,嫦娥三號著陸在月球正面的虹灣。那裡布滿月海玄武巖,地勢較為開闊、平坦,位於大型撞擊坑、月海、高地(山脈)交匯地區,有利於科學勘察目標的選擇。

而嫦娥四號的主著陸區為月球背面南極艾特肯盆地,著陸區面積比虹灣地區小了許多。而且月球背面山峰林立,遍布撞擊坑,很難找出更大、更平坦的地方,嫦娥三號著陸區地形起伏僅800米,而嫦娥四號著陸區起伏達到了6000米。因此,嫦娥四號著陸器,需要具有比嫦娥三號更準確的著陸精度。

由於落月過程地球方向不直接可見,所有信息傳輸都需要在中繼星「鵲橋」 的中轉下完成。整個落月過程由GNC(制導、導航與控制) 系統自主操控,加之回傳畫面的延遲,對地面人員來說,這個過程近乎是「盲降」。

長征三號乙遙三十運載火箭整裝待發,準備送嫦娥四號前往月球。供圖/航天科技集團一院長征三號乙遙三十運載火箭整裝待發,準備送嫦娥四號前往月球。供圖/太空科技集團一院

問題2:為何要去月球背面?

太空科技集團五院專家介紹,月球背面的探測,可以推動月基科學研究的不斷深入。

月球背面沒有來自地球的無線電波的干擾,是進行射電天文觀測的最佳場所,如果能利用這一自然地形架設無線電望遠鏡,就好比把「天文台」搬到了月球背面。嫦娥四號著陸器在月球背面軟著陸後,將開展月基低頻射電天文觀測研究,預期可以獲得一批原創性的科學成果。

月球背面探測,也有助於推動月球資源的研究和開發利用。月球蘊藏著豐富的礦產和能源資源,開發和利用月球資源是人類探測月球的源動力之一。近年來,美國等國家相繼制定了包括月球背面資源調查研究計劃。通過嫦娥四號對著陸區地形地貌、礦物組份、巡視區淺層結構、地幔物質等進行科學探測與研究,將為月球資源的開發利用提供極有價值的第一手資料。

嫦娥四號探測器效果圖。供圖/國防科工局嫦娥四號探測器效果圖。供圖/國防科工局

由於月球背面探測的難度,嫦娥四號任務也將助推大陸太空和相關學科技術的突破。

據五院研制人員介紹,要完成前無古人的月球背面之旅,嫦娥四號面臨幾大技術難點:地月拉格朗日L2平動點軌道精確設計與控制,地月拉格朗日L2點遠距離數據中繼,複雜地形環境下的安全著陸等。

為了突破這些技術難點,大陸太空界將做到三個國際首次,即首次月球背面軟著陸和巡視探測、首次月球拉格朗日L2點中繼與探測、首次月基低頻射電天文觀測,以及國內首次實測月夜期間淺層月壤溫度。這一重大科學創新工程的實施,將推動太空技術和其它科學領域相關技術的持續發展。

嫦娥四號探測器效果圖。供圖/國防科工局嫦娥四號探測器效果圖。供圖/國防科工局

問題3:新月球車與「玉兔」號有何不同?

今年8月15日,嫦娥四號月球車外觀在北京首次亮相,與「玉兔」恰似孿生姐妹。嫦娥四號月球車總重量約140公斤,是全球迄今重量最小的月球車。

探月工程副總指揮、國家國防科工局探月與太空工程中心主任劉繼忠介紹,嫦娥四號月球車基本繼承了「玉兔號」的狀態,但針對月球背面複雜的地形條件、中繼通信新的需求和科學目標實際需要,作了適應性更改和有效載荷配置調整。

工作在月球表面,月球車將面臨多種極端條件的考驗。

2013年12月15日,嫦娥三號著陸器與巡視器分離,「玉兔號」抵達月球表面。據中國工程院院士、中國探月工程總設計師吳偉仁介紹,月球環境曾對「玉兔號」造成影響,例如月夜極低氣溫導致「玉兔號」 裸露在外的電纜發生了故障。

嫦娥四號月球車效果圖。供圖/國防科工局嫦娥四號月球車效果圖。供圖/國防科工局

而基於「玉兔號」的任務經驗,嫦娥四號針對其遇到的問題進行了針對性改進。吳偉仁說,嫦娥四號的月球車僅在電纜鉤掛、摩擦方面就做了上千次試驗,同時也盡量減少電纜裸露在外的面積,減少電纜的故障風險。

吳偉仁透露,嫦娥三號著陸器和月球車設計壽命分別為1年和3個月,但最終月球車工作了2年9個月,著陸器目前仍在運行,工作5年狀態依然很好。嫦娥四號月球車設計壽命也是3個月,但預計工作時間將比「玉兔號」更長。

問題4、半年前發射的「鵲橋號」與嫦娥四號有什麼關係?

今年5月21日,「鵲橋」中繼衛星發射升空,也被稱為嫦娥四號任務的先聲。

嫦娥四號探測器包括著陸器和巡視器(即月球車)(此前探月工程辦公室曾面向全社會為月球車征名,目前名稱尚未發布),但嫦娥四號系統裡還有一個「信使」——「鵲橋」中繼衛星。

由於嫦娥四號降落在月球背面,月球背面始終與地球「背對背」,無法直接與地球通信。為了解決通信問題,科學家找到了一個能同時「看到」地球和月球的位置——地月拉格朗日L2點,該點位於地月球心連線上靠近月球的一側,距月球約6.5萬公里,並在這裡部署了一顆通信衛星。

「鵲橋號」已經於今年5月21日發射升空,目前運行在地月拉格朗日L2點Halo軌道上,是人類歷史上第一顆地球軌道外專用中繼通信衛星。任務中,地球地面和嫦娥四號都先發射信號給「鵲橋號」,再由其轉PO給另一方。

過去60年,人類發射了100多個月球探測器,包括65個月球著陸器,但僅有不載人的環繞月球軌道器和載人的阿波羅號飛船「看」到過月球背面。主要是由於從地球向月球背面發射通訊信號,會受到月球整體阻擋,地面通信和測控的難題,阻擋了月球背面著陸計劃。

新京報記者 倪偉