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我国实现人类探测器首次月背软着陆

2019-01-04 11:23:13|来源:经济日报|编辑:薛维萌 |责编:韩东林

1月3日,在北京航天飞行控制中心,科研人员在紧张工作。 新华社记者 金立旺摄

  1月3日10时26分,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面预选着陆区,并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,揭开了古老月背的神秘面纱。此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信,开启了人类月球探测新篇章

  2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极—艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内,实现了人类探测器首次在月球背面软着陆,并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,揭开了古老月背的神秘面纱。

  嫦娥四号探测器由着陆器和巡视器组成,共配置包括2台国际合作载荷在内的8台有效载荷,其中着陆器上安装了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、与德国合作的月表中子及辐射剂量探测仪等4台载荷;巡视器上安装了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪。

  这些仪器将在月球背面通过就位和巡视探测,开展低频射电天文观测与研究,巡视区形貌、矿物组分及月表浅层结构研究,并试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境研究。此外,着陆器还搭载了月表生物科普试验载荷。嫦娥四号任务为中外科学家提供了太空探索的机会。

  据介绍,嫦娥四号着陆区地形起伏达6000米,是太阳系中已知最大的撞击坑之一,被认为对研究月球和太阳系早期历史具有重要价值。同时,月球背面也是一片难得的“宁静之地”,屏蔽了来自地球的无线电信号干扰,在此开展低频射电天文观测可以填补射电天文领域在低频观测段的空白,为研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能,也将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。

  后续,嫦娥四号探测器将通过“鹊桥”中继星的中继通信链路,在地面控制下,开展设备工作模式调整等工作,择机实施着陆器与巡视器分离。

  应对多重困难挑战

  嫦娥四号首选着陆区为月球背面南极—艾特肯盆地。“与嫦娥三号的虹湾着陆区相比,艾特肯盆地的地形更为崎岖,撞击坑大而且分布密集,这对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了更高要求。”中国航天科技集团八院嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花介绍说,“由于着陆区在月球背面,使得着陆器和巡视器无法同地球直接通信,必须用中继星中继的方式通信。同时,在动力下降过程中,着陆器也不能对地直接通信,只能通过中继星上下行操作,这些都是此次任务的难点”。

  不仅如此,巡视器还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘污染等问题。“例如,月球的重力只有地球的1/6,我们要针对这种低重力环境,对巡视器的移动速度、距离、越障能力等状态和参数实行充分的地面力学分析和验证,并结合月面散落陨石和撞击坑的状态,使其具有一定的障碍识别和自主避障能力,保证它的通过性、机动性以及地形适应性。”张玉花说。

  据悉,在整个任务过程中,设计团队为巡视器定义了感知、移动、探测、充电、安全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼多种工作模式,以应对不同工作环境、适应不同工作状态的要求。

  适应月背严苛环境

  据介绍,月球背面长期受陨石冲击,较正面月表环境更为严苛,巡视器行进过程中可能面对更多挑战。为此,科研团队加强了巡视器的移动能力。特别是在应对意外状况方面,开展了多项系统试验,并把每一个试验变化分解成多个环节,逐一开展详细验证。例如,对石块落入车轮内部、驱动机构频繁启停,以及巡视器极限移动能力等状况均作了逐一测试,并形成了应对方案。

  此外,月面巡视器要从地球飞越约38万公里才能到达月球,负担自然是越轻越好,因此探测器的每个部分都有严格的重量要求。在这样的前提下,科研团队通过严格的筛选和试验,最终在仅增加50克重量的有限措施下,将电缆防拉脱力从22N提升到了48N,整整将相应指标提高了一倍多。同时,加强了电缆的耐磨性和驱动控制模块设计冗余,有力地支撑了嫦娥四号巡视器征战月球背面之行。

  能量供给更加可靠

  一个月夜相当于地球上14天。同时,月夜最低温度可达零下180摄氏度。在没有光照的漫长黑夜里,对于依靠太阳能提供能量的嫦娥四号着陆器和巡视器来说,如何依靠自身存储的能量安全度过月夜将是一个很大的挑战。

  面对这一难题,科研人员提出休眠唤醒概念。当太阳升起时,着陆器和巡视器将开始忙碌地工作——着陆器在原地实施科学探测,巡视器则开始“东奔西走”。当月夜降临时,巡视器会为自己找好栖身之所,收起桅杆,合上太阳翼,开始休眠,直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上,唤醒“沉睡”的巡视器和着陆器,开启又一次勘测。

  “嫦娥四号采用了国内最先进的高效三结砷化镓太阳电池,光电转换效率从原先的28.6%提升到30.84%。”探月工程太阳电池电路负责人陈城说,新的电池在光电转换效率、输出电压、输出电流、抗辐照能力等技术指标上均优于原电池,其可靠性也经过了多重考核验证。“而且,新电池降低了太阳电池片的厚度,为太阳电池‘减重’了10%,功率裕度则由原先的6%增大到了9%。”

  聪明的GNC系统

  为了防止在最紧张的、不可逆的月球背面着陆过程中“鹊桥”出现问题影响数据上传,GNC系统(导航制导与控制系统)设计了延时数据注入功能,就是提前把要注入着陆器计算机的数据发送到着陆器上的某个地方暂存,这个数据包是带有时间标签的,待到着陆器上的时间和该标签相同时,数据便自动注入。如此,原本通过“鹊桥”的实时数据注入就成为了备份手段。

  系统还可以“全程自主故障诊断与重构”,万一真的发生了故障,系统可以随时自己给自己“诊断”,找到病灶并剔除病灶,通过“身体”各部分功能的优化再组合,确保机体整体功能正常,确保落月过程万无一失。

  着陆器GNC圆满完成了自己的使命,但嫦娥四号任务还在继续,后续还有着陆器、巡视器(月球车)分离,月球车月面就位探测、巡视探测,月昼月夜交替等挑战,这些就要考验嫦娥四号巡视器GNC系统的智慧了,相信它会和着陆器GNC一样聪明。(姜天骄)

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