從嫦娥一號(hào)登月成功,到嫦娥二號(hào)首次實(shí)現(xiàn)我國對(duì)小行星的飛越探測(cè),嫦娥三號(hào)成功實(shí)現(xiàn)落月夢(mèng)想,再到嫦娥四號(hào)的“月背”之旅……十幾年的探索、38萬公里的追尋,中國航天以“探月夢(mèng)”托舉“中國夢(mèng)”,書寫了人類文明發(fā)展歷程中的驚鴻之筆。
嫦娥四號(hào)發(fā)射成功(新華社江宏景攝)
備受期待的年終“航天大戲”終于來了。
2018年12月8日2時(shí)23分,嫦娥四號(hào)探測(cè)器(下稱“嫦娥四號(hào)”)從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心出發(fā),向遙遠(yuǎn)的月球飛去,人類首次月球背面軟著陸巡視探測(cè)的大幕正式拉開。
千百年來,月亮一直是人類心中的神秘之所,思鄉(xiāng)的情懷、探索宇宙的渴望,都交織在“舉頭望明月”的目光中。此前,我國探月工程也曾分別實(shí)施嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)等任務(wù),對(duì)月球進(jìn)行探測(cè)。然而,中國人及其探測(cè)器目光所及之處,僅僅是月亮的正面。
月球背面究竟是什么樣,嫦娥四號(hào)將第一次身臨其境地“觸摸”它。
2018年12月12日下午,經(jīng)過約110小時(shí)的奔月飛行,嫦娥四號(hào)到達(dá)月球附近。16時(shí)39分,北京航天飛行控制中心科技人員發(fā)出指令,嫦娥四號(hào)在距月面129公里處成功實(shí)施7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。
16時(shí)45分,嫦娥四號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)正常關(guān)機(jī)。根據(jù)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)視判斷,嫦娥四號(hào)順利完成“太空剎車”,被月球捕獲,進(jìn)入近月點(diǎn)約100公里的環(huán)月軌道,近月制動(dòng)獲得圓滿成功。
鮮為人知的是,嫦娥四號(hào)不但實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)時(shí)發(fā)射、準(zhǔn)確入軌,還創(chuàng)造了一個(gè)奇跡。按照原計(jì)劃,嫦娥四號(hào)在近月制動(dòng)前,要實(shí)施3次軌道中途修正,結(jié)果只在12月9日進(jìn)行了1次,就達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。這樣一來,嫦娥四號(hào)節(jié)省了用來修正軌道的燃料,從而更有利于執(zhí)行后續(xù)任務(wù),并延長設(shè)備壽命。
嫦娥四號(hào)在環(huán)月軌道運(yùn)行18天后,其間不斷調(diào)整環(huán)月軌道高度和傾角,進(jìn)行與中繼星中繼鏈路、導(dǎo)航敏感器的在軌測(cè)試,于2018年12月30日8時(shí)55分,成功實(shí)施變軌控制,順利進(jìn)入預(yù)定的月球背面著陸準(zhǔn)備軌道,預(yù)計(jì)這次著陸將在2019年1月3日進(jìn)行。
與之前“奔月”的姐妹們不同,這次嫦娥四號(hào)瞄準(zhǔn)的是月球背面,那么,嫦娥四號(hào)軟著陸背后有哪些不為人知的秘密?
嫦娥四號(hào)于2018年12月12日進(jìn)入環(huán)月軌道,截至2018年12月31日,嫦娥四號(hào)已經(jīng)繞著月球飛行了19天。對(duì)此,有網(wǎng)友問,嫦娥四號(hào)為何遲遲不落月?
有專家解釋,嫦娥四號(hào)要等著陸區(qū)天亮。月球整體光照情況顯示,嫦娥四號(hào)進(jìn)入月球軌道時(shí),它的預(yù)定著陸區(qū)南極-艾特肯盆地一帶正在進(jìn)入夜晚。黑燈瞎火降落,萬一摔跟頭怎么辦?由于一個(gè)月夜相當(dāng)于地球上的14天,所以嫦娥四號(hào)需要多飛一陣,等到落區(qū)太陽高照時(shí)降落,當(dāng)然更加穩(wěn)妥。
但北京航天飛行控制中心軌道專家組組長劉勇指出,嫦娥四號(hào)之所以要經(jīng)過這么久的太空飛行,原因不僅于此,還跟嫦娥四號(hào)的入軌傾角與落區(qū)位置有關(guān)。
劉勇說,嫦娥四號(hào)進(jìn)入環(huán)月軌道時(shí),其軌道面與地月連線基本垂直,而它的著陸點(diǎn)經(jīng)度在180度左右。這意味著當(dāng)時(shí)嫦娥四號(hào)的軌道并不經(jīng)過落點(diǎn),其間大約有270度的偏差。這需要通過月球自轉(zhuǎn),花費(fèi)時(shí)間逐漸彌補(bǔ)。
既然要等,為何不能推遲半個(gè)月發(fā)射?這就涉及發(fā)射窗口的問題。嫦娥四號(hào)的發(fā)射時(shí)間要考慮很多的約束條件,使它與日、地(包括地面點(diǎn)和近地軌道)、月(包括著月點(diǎn))的相對(duì)關(guān)系滿足任務(wù)需求。例如,奔月軌道需要調(diào)整近月點(diǎn)經(jīng)度和飛行時(shí)間,讓環(huán)月軌道臨近著月點(diǎn)上空,為登月創(chuàng)造條件;奔月飛行過程中,要考慮太陽能帆板的受曬問題,要求太陽光入射方向與太陽帆板之間的夾角保持在一定范圍內(nèi)。此外,在飛行和著陸過程中,還要考慮連續(xù)測(cè)控問題。在此背景下,嫦娥四號(hào)形成發(fā)射機(jī)會(huì)的交集只在2018年12月8日和9日各有2次,加起來也只有幾分鐘,正所謂“過了這村就沒這店”。
嫦娥四號(hào)月球車外觀設(shè)計(jì)構(gòu)型(圖/新華社)
嫦娥四號(hào)著陸器外觀設(shè)計(jì)構(gòu)型(圖/新華社)
千百年來,由于月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等,加上被地球潮汐鎖定,地球強(qiáng)大的引力讓月球總是一面朝向地球,所以地球上的人們只能看見月球的正面。月球的背面,成為了“秘境中的秘境”。
各種月球探測(cè)器拍攝的月球照片顯示,月球背面這張“面孔”并不漂亮,是一張“麻子臉”,隕石坑數(shù)量比月球正面要多得多,放眼望去隨處可見,密密麻麻。月背的“皺紋”也多,布滿溝壑、峽谷和懸崖,而月球正面相對(duì)平坦的地方比較多。此外,月球背面還是個(gè)“厚臉皮”,它的月殼從整體來講比正面要厚。究竟是什么原因?qū)е略職ず穸炔灰粯樱娬f紛紜,至今仍是天文學(xué)界的一個(gè)未解之謎。
嫦娥四號(hào)在月球背面降落還有更多科學(xué)目的。月球分為三大地體,即克里普巖地體、斜長高地巖地體、艾特肯盆地地體。前兩個(gè)地體,美國、蘇聯(lián)都著陸巡視探測(cè)過,只有艾特肯盆地地體沒有近距離就位探測(cè)過,因此這塊區(qū)域目前就近距離巡視探測(cè)而言,屬于處女地,在科學(xué)上會(huì)有很多新發(fā)現(xiàn)。
“月球背面是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的地方?!蔽覈虑蛱綔y(cè)工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)說,因?yàn)樵虑虮趁媸墙邮盏皖l輻射的一個(gè)完美場所。“只有到月球背面去,才能夠獲得這些人類從未得到過的信息,而這些信息將蘊(yùn)藏豐富的科學(xué)內(nèi)容?!?/p>
由于屏蔽作用,在地面上無法開展低頻射電觀測(cè)。受地球磁環(huán)境的影響,在月球正面開展低頻射電觀測(cè)效果也不盡如人意。恰恰由于月球背面的磁環(huán)境非常干凈,沒有來自地球的無線電波干擾,是進(jìn)行射電天文觀測(cè)的最佳場所,如果能利用這一自然地形架設(shè)天文望遠(yuǎn)鏡,就好像把“天文臺(tái)”搬到了月球背面。
嫦娥四號(hào)降落地點(diǎn)為南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑,這個(gè)著陸點(diǎn)是如何選出的?
中國航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號(hào)探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲說,嫦娥四號(hào)是嫦娥三號(hào)的備份,嫦娥三號(hào)的著陸區(qū)在北緯45度左右的虹灣地區(qū),探測(cè)器是按照這一緯度的光照條件設(shè)計(jì)的熱控系統(tǒng)和太陽翼。而大部分繼承了嫦娥三號(hào)設(shè)計(jì)的嫦娥四號(hào)首選著陸區(qū)緯度也在40度至50度之間。
這樣,嫦娥四號(hào)的著陸區(qū)從經(jīng)緯度上就基本確定下來了。在這個(gè)大致范圍內(nèi),科學(xué)家們看中了艾特肯盆地,這是太陽系中已知最大、最深、最古老的撞擊坑,這里蘊(yùn)含著月球最早的信息,有很高的科學(xué)研究價(jià)值,對(duì)這里的探測(cè)將對(duì)人類了解月球、地球、太陽系的演化提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)和線索。
而在艾特肯盆地這個(gè)直徑大約2500公里、深13公里的巨大撞擊坑內(nèi),還有一個(gè)直徑為180公里的馮·卡門撞擊坑,其底部地勢(shì)相對(duì)平坦,能較好地保證著陸安全。
除了科學(xué)上的意義,對(duì)馮·卡門撞擊坑的探測(cè)還有另一層意義,它是以20世紀(jì)匈牙利裔美國航天工程學(xué)家馮·卡門命名的,他被譽(yù)為“航空航天時(shí)代的科學(xué)奇才”。中國航天事業(yè)的奠基人錢學(xué)森、郭永懷都是他的親傳弟子。
嫦娥四號(hào)要到月球背面安家落戶,首先遇到的問題就是它與地球不僅相隔遙遠(yuǎn)的地月距離,而且還要隔著通信信號(hào)無法穿透的月球球體?!按顦颉卑l(fā)射中繼衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)“飛鴿傳書”是較為完美的解決方案。
2018年4月24日,嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星被正式命名為“鵲橋”。“鵲橋”不大,重約448千克,衛(wèi)星本體橫向尺寸1.4米×1.4米,高度850毫米,加上天線高約3米,整個(gè)衛(wèi)星尺寸與中型保險(xiǎn)柜相仿。中國航天科技集團(tuán)五院中繼星“鵲橋”主任設(shè)計(jì)師孫驥說,“鵲橋”雖然不是嫦娥四號(hào)任務(wù)的主角,卻是重要的組成部分,其使命就是為月球背面的著陸器和巡視器提供中繼通信服務(wù)。
由于嫦娥四號(hào)在馮·卡門撞擊坑著陸,設(shè)計(jì)師決定把“鵲橋”架在地月系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)上,這個(gè)位置處于地球和月球兩點(diǎn)連線的延長線上,且在較小的天體也就是月球一側(cè),在這個(gè)位置,“鵲橋”既可以看到地球,又可以看到月球背面,因此,可以同時(shí)與地球和月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換,完成“中繼”任務(wù)。
當(dāng)然,如果中繼星“守”在地月系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)不動(dòng),由于受月球遮擋,仍然“看不見”地球。于是,設(shè)計(jì)師為其設(shè)計(jì)了Z向振幅約1.3萬公里,繞地月系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)的Halo軌道?!谤o橋”在這一軌道上做擬周期運(yùn)動(dòng),既能“看見”地球,又能“看見”月球,可以同時(shí)與地球和月球背面進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換,通過定期軌道控制來保持軌道的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)對(duì)嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。
值得注意的是,除了搭建通信橋梁,“鵲橋”還嘗試為空間科學(xué)試驗(yàn)“牽線”,激光測(cè)距試驗(yàn)是其一。目前,人類歷史上最遠(yuǎn)距離的激光測(cè)距試驗(yàn)是依據(jù)1969年阿波羅11號(hào)在月球上放置的一套激光測(cè)距反射鏡陣列進(jìn)行的。如今,在距離地球約40多萬公里的地月系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)附近,“鵲橋”將嘗試把遠(yuǎn)距離激光測(cè)距的紀(jì)錄再度延伸。“鵲橋”上還搭載了浙江大學(xué)研制的兩臺(tái)相機(jī),用來拍攝天線展開的過程,若幸運(yùn),人們還會(huì)看到其拍攝的地月彩色合影。
為保證嫦娥四號(hào)成功在月球背面軟著陸,我國航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)技術(shù)不斷升級(jí)。
高等學(xué)校是黨、國家和人民的高等學(xué)校,其生命線是正確的辦學(xué)方向,堅(jiān)持社會(huì)主義的辦學(xué)方向是黨對(duì)高等教育發(fā)展和國家舉辦高等教育提出的基本政治要求。黨的十六屆五中全會(huì)從社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的要求出發(fā),明確提出繼續(xù)把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作的重中之重,實(shí)行工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)、城市支持農(nóng)村,推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè),實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。這就是要求包括高等學(xué)校在內(nèi)的全社會(huì)都必須積極主動(dòng)參與到這一偉大的事業(yè)之中去,在鄉(xiāng)村振興的過程中發(fā)揮地方高校的三大職能。
GNC系統(tǒng)負(fù)責(zé)嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器組合體奔月、環(huán)月、落月整個(gè)過程的控制,特別是臨近月球時(shí)的“踩剎車”和落月的過程,沒有重來的機(jī)會(huì),對(duì)系統(tǒng)的可靠性有著極高的要求。相較于嫦娥三號(hào),嫦娥四號(hào)的落月難度更高,難度主要來自于“月球背面安全著陸”。因?yàn)檎麄€(gè)落月過程由GNC系統(tǒng)自主操控,且回傳畫面會(huì)有一定的延遲,對(duì)地面人員來說,這個(gè)過程近乎是“盲降”。
為了防止在最緊張的、不可逆的月球背面著陸過程中“鵲橋”出現(xiàn)問題影響數(shù)據(jù)上傳,GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了延時(shí)數(shù)據(jù)注入功能,就是提前把要注入著陸器計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器上的某個(gè)地方暫存,這個(gè)數(shù)據(jù)包帶有時(shí)間標(biāo)簽,待到著陸器上的時(shí)間和該標(biāo)簽相同時(shí),數(shù)據(jù)便會(huì)自動(dòng)注入,如此,“鵲橋”的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)注入就成為了備份手段。
此外,GNC系統(tǒng)還可以“全程自主故障診斷與重構(gòu)”,萬一真的發(fā)生了故障,系統(tǒng)可以隨時(shí)給自己進(jìn)行“診斷”,找到并剔除病灶,通過身體各部分功能的優(yōu)化再組合,保證機(jī)體整體功能的正常,確保落月過程的萬無一失。
此外,嫦娥四號(hào)著陸器、巡視器的兩器分離,巡視器的月面就位探測(cè)、巡視探測(cè),月晝?cè)乱沟慕惶娴忍魬?zhàn)也將考驗(yàn)GNC系統(tǒng)的智慧。
如何保證嫦娥四號(hào)著陸時(shí)不會(huì)“閃著腰”?
面對(duì)體重超過1噸的嫦娥四號(hào),為實(shí)現(xiàn)軟著陸,科研人員在著陸器上安裝了反推發(fā)動(dòng)機(jī)。但能否經(jīng)受住最后的“一落”,著陸器的四條腿至關(guān)重要。這四條腿的學(xué)名叫“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”。它能夠利用緩沖功能,將嫦娥四號(hào)著陸月面瞬間所產(chǎn)生的沖擊有效吸收,防止巨大的沖擊力對(duì)嫦娥四號(hào)安裝的重要儀器設(shè)備造成損傷。
為確保良好的緩沖,科研人員為四條腿了配備了兩個(gè)秘密武器。一個(gè)是“大腳掌”,這是與月球表面直接接觸的部位,它是圓的,看上去像一個(gè)大臉盆。說它很大,是因?yàn)樗闹睆讲畈欢嗍瞧胀ㄈ四_長的兩倍。為什么要設(shè)計(jì)成盆狀?這種盆狀結(jié)構(gòu)可以更好地防止嫦娥四號(hào)著陸月面時(shí)摔倒。
為了讓這個(gè)大腳掌足夠強(qiáng)壯,其內(nèi)部使用了蜂窩狀的材料,在中央還埋藏著一個(gè)長得像足弓的很特別的金屬結(jié)構(gòu),能有效分散沖擊力。同時(shí),在這個(gè)“足弓”內(nèi)部還填充有更加致密的緩沖材料,能夠有效吸收沖擊能量,起到更好的緩沖作用。
第二個(gè)秘密武器就是主腿和副腿。每條著陸腿都包含一個(gè)主腿和兩個(gè)副腿。兩種腿各有分工,各司其責(zé)。在著陸前,副腿推著主腿向外側(cè)展開到規(guī)定角度并鎖定,然后主腿負(fù)責(zé)在著陸時(shí)安全地支撐住嫦娥四號(hào),將各種沖擊力傳遞、吸收。副腿也會(huì)輔助主腿緩沖巨大的沖擊力,這將使落月更穩(wěn)定、安全。
嫦娥四號(hào)巡視器,即嫦娥四號(hào)月球車雖然看起來與月球正面虹灣的“玉兔號(hào)”非常相似,但它更輕盈、更自主、更可靠。
中國航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號(hào)探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師賈陽說,“玉兔號(hào)”重137千克,嫦娥四號(hào)月球車重量為135千克,可駛過20厘米高的石頭,最快每小時(shí)走200米。變輕的主要原因是去掉了原先帶有粒子激發(fā)X射線譜儀的機(jī)械臂,更換了瑞典科學(xué)家研制的中性原子探測(cè)儀,用來探測(cè)月球表面的粒子輻射環(huán)境。
為度過寒冷的月夜,“玉兔號(hào)”在月夜來臨前是通過地面設(shè)置進(jìn)入休眠狀態(tài),月晝的喚醒是自主的,但喚醒后還需要地面進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)置才能進(jìn)入安全的工作狀態(tài)。中國航天科技集團(tuán)五院嫦娥四號(hào)探測(cè)器項(xiàng)目總監(jiān)張熇指出,嫦娥四號(hào)在月球背面,雖有中繼星,但通信還是不如嫦娥三號(hào)方便,因而嫦娥四號(hào)月球車可根據(jù)光照條件,自主地進(jìn)入休眠狀態(tài),喚醒后也可以自主設(shè)置進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
5年前,“玉兔號(hào)”在虹灣上行走了114米后突然不能動(dòng)了,出現(xiàn)了機(jī)構(gòu)控制異常。對(duì)此,科研人員改進(jìn)了嫦娥四號(hào)月球車各種走線的布局,采取防護(hù)措施避免短路的發(fā)生。另外,在系統(tǒng)上做好故障隔離設(shè)計(jì),當(dāng)局部出現(xiàn)問題時(shí),不讓問題進(jìn)一步擴(kuò)展。
嫦娥家族一覽(圖/國防科工局新聞宣傳中心)
據(jù)中國探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁介紹,嫦娥三號(hào)著陸器和月球車設(shè)計(jì)壽命分別為1年和3個(gè)月,但最終月球車工作了2年9個(gè)月,著陸器目前仍在運(yùn)行,工作5年?duì)顟B(tài)依然很好。嫦娥四號(hào)月球車設(shè)計(jì)壽命也是3個(gè)月,但預(yù)計(jì)工作時(shí)間將比“玉兔號(hào)”更長。
嫦娥四號(hào)開展任務(wù)之前,我國已圓滿實(shí)現(xiàn)了探月工程第一、二步的既定目標(biāo)?!版隙鸾忝谩憋w越38萬公里的地月距離,實(shí)現(xiàn)了繞月、落月任務(wù),探索出一條中國人自己的探月之路。
1994年,我國科學(xué)家開始進(jìn)行探月活動(dòng)的必要性和可行性研究。2001年,原國防科工委組織中國科學(xué)院、航天科技集團(tuán)、原總裝備部等單位正式啟動(dòng)月球探測(cè)工程的相關(guān)論證工作。2004年1月,國務(wù)院正式批準(zhǔn)我國繞月探測(cè)工程立項(xiàng)。
2007年10月24日,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射,拉開了中國人探索月球的序幕。它在距月面200公里的軌道繞行了近500天,獲得了世界首幅三維立體全月圖,最后按預(yù)定計(jì)劃受控撞月,為我國月球探測(cè)一期工程畫上了圓滿的句號(hào)。這是繼人造地球衛(wèi)星、載人航天飛行之后,我國航天事業(yè)發(fā)展的又一座里程碑,開啟了中國人走向深空的時(shí)代。
2010年發(fā)射的嫦娥二號(hào)衛(wèi)星,它的工作軌道距月面僅100公里,獲得了分辨率更高的三維影像、月球物質(zhì)成分分布圖等資料,實(shí)現(xiàn)了6大工程目標(biāo)和4項(xiàng)科學(xué)探測(cè)任務(wù),獲取了一批重要科學(xué)數(shù)據(jù)。完成既定任務(wù)后,嫦娥二號(hào)開展了拓展試驗(yàn),先前往距地球150萬公里的日地拉格朗日L2點(diǎn),完成了一個(gè)完整周期的飛行探測(cè),又飛到700萬公里外,以最近不到1公里的距離與圖塔蒂斯小行星擦肩而過,首次實(shí)現(xiàn)了我國對(duì)小行星的飛越探測(cè)。
與嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)衛(wèi)星相比,實(shí)施我國探月工程二期項(xiàng)目的嫦娥三號(hào)探測(cè)器技術(shù)跨度大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,使用新技術(shù)、新產(chǎn)品的比例達(dá)到80%。2013年12月14日,嫦娥三號(hào)成功落月,實(shí)現(xiàn)我國航天器首次地外天體軟著陸,并開展了巡視勘察和科學(xué)探測(cè)。
除了“嫦娥姐妹”,我國還于2014年發(fā)射了再入返回飛行試驗(yàn)器,實(shí)現(xiàn)了中國航天器首次以第二宇宙速度返回地球,對(duì)“半彈道跳躍式返回”再入關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證,為確保后續(xù)任務(wù)持續(xù)推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。(本刊綜合)※