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嫦娥四号成功着陆月球背面,有十大看点你需要知道

图片:中国航天科技集团 / 知乎

嫦娥四号成功着陆月球背面,有什么看点和重要意义?

太空精酿,啤博士成员,航天汪一只

2018 年 12 月 8 日 2 时 23 分,中国嫦娥四号探测器从西昌卫星发射中心成功起飞,开始踏上奔向月球的旅程!

根据新华社消息,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•卡门环形山 / 撞击坑内,实现人类探测器首次在月球背面软着陆。

发射成功现场(图源:我们的太空微博)

它对中国探月、乃至整个人类探月,到底有多大意义?本文十大看点为你全方位解读。

看点一:为什么选择探测月球背后?

地球上每天都有无数人举头望明月,对着它发出各式各样的感慨。但极少有人意识到,从他们第一次看到月亮至今,除了月亮“形状”(月相)的变化,月球表面的“图案”其实从来没变过,甚至最早人类远祖古猿看到的月亮和今人并无区别。

动图:NASA 的深空天气探测卫星在 150 万千米外日地拉格朗日点“定点”观察而来的月球掠过地球,可以明显看到月球只有一面对着地球(图源:NASA)

道理很简单:

通过亿万年的努力,巨大的地球把月球牢牢得实现了潮汐锁定,使它围绕地球一圈的公转周期完全等于自身转动。从地球上就只能看到当初它被固定朝向地球的一面。虽然由于月球天平动和视差现象可以瞥见一小部分背面,但绝大部分都是看不到的。我们称之为“月球背面”,在一些文艺作品中,还被艺术得称为“月之暗面”。需要注意的是,月球背面也能被太阳照到,并不“暗”,只不过人类看不到而已。

看点二:“我选择着陆月球背后,不是因为它简单,而是因为它更难”

人类月球探测、甚至人类航天的巅峰就是大名鼎鼎的阿波罗登月工程,它留下了载入史册的三句话:

肯尼迪总统说过两句:“我们要在这个十年结束前,把宇航员送上月球,再安全送回来”,“我们选择登月,不是因为它简单,而是因为它很难”。

经过无数航天人的努力,终于在 1969 年 7 月 20 日,由阿姆斯特朗说出了最著名的那一句:“这是我的一小步,却是全人类的一大步”。

到中国嫦娥三号时,人类已经在月球正面有过 20 个着陆器,然而背面为 0(图源:Wikipedia)

但是,所有的阿波罗载人任务、甚至苏联和美国的其他无人着陆月球任务都集中在月球正面,对这里人类已经了解得非常多。现在,不仅顶级科学家可以每天用激光精确监测地月距离和表面情况,普通天文爱好者也可以用望远镜了解月球正面的每一个月海、每一座环形山。阿波罗计划甚至送了 12 名宇航员登陆月球正面、还带回了 382 千克的单体样本。

之所以一直探测正面、在正面着陆,却从不去背面,一个重要原因就是背面着陆的难度大大难于正面。

因为苏美太空竞赛的走向逐渐变成“耗资不菲但收获有限”,二者先后放弃了月球探测。也给人类的月球探测留下了一个大挑战:谁能成功着陆月球背面?我们要因为难,就不去了吗?

嫦娥四号做出了回答:“我选择着陆月球背后,不是因为它简单,而是因为它更难”。

看点三:月球背后探测会给科研界带来什么?

直接划重点:

  1. 月球背面几乎全是环形山 / 撞击坑(97.5%),比正面多得多(69%),形成原因和目前的情况只有理论解释,缺乏实地验证;
  2. 月球背面南极 - 艾特肯盆地,是太阳系第二大超级陨石坑,早在 1998 年,NASA 的月球勘探者号就发现这里存在水冰,而且更接近月球最原始的情况;
  3. 嫦娥四号实际着陆地点位于该区域中部的冯·卡门环形山,它以钱学森的恩师的名字命名。这里经过了强烈碰撞,极可能曾经被熔岩淹没,各类物质含量丰富,或许留有月幔最原始的成分,保留了月球最深层的秘密;
  4. “月球上氦三能量开发可供人类能源需求 XX 万 / 亿年”的说法,相信大家已经看过很多了,而理论上月球背面环境更容易产生氦三;
  5. 月球背面有天然的“屏蔽”,没有任何来自地球的辐射干扰,这意味着它有着无比完美的安静环境做天文观测;
  6. 月球背面的月壤也极有可能与正面大不相同。

月球正面(左)和月球背面(右)看起来截然不同(图源:NASA)

以上,基本意味着第一个实现月球背面着陆的探测器将会收获众多独特的科研成果,对世界航天和天文界都将是巨大的贡献。

看点四:月球挡住了,信号咋办?

既然月球挡住了背面,就要布置一颗信号中继卫星,为着陆器做准备和全程信号支持。从上个世纪六十年代开始,NASA 就一直在提设想、论证,但从未实践过。目前,中国已经完成了这一任务:早在今年 5 月份,就成功部署了“鹊桥号”中继卫星,在月球背后 6.5 万公里之外的地月拉格朗日二点附近 Halo 轨道簇上运行

鹊桥号中继星与地球、月球的轨道关系(图源:吴伟仁等)

这是人类历史上首个月球信号中继卫星,架起了地球和月球背后的“鹊桥”,它将全程见证嫦娥四号的探测过程,也将负责嫦娥四号的全程通信。

看点五:着陆区域到底有多复杂?

月球背面陨石坑密布、尤其南极 - 艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂,对各种配合着陆传感器的系统要求很高。尤其是高度方面的变化速度超过了以往任何一次着陆,最大落差高达 16.1 千米。冯·卡门环形山属于其中一块核心区域,对嫦娥四号而言,相当于翻越崇山峻岭来找它。

如果把此前探测器在月球正面的着陆情形描述为小船轻轻划过湖面,嫦娥四号在月球背面的着陆就好比在风暴洋中冲浪,难度不可同日而语。

南极 - 艾特肯盆地的地形图复杂程度远超其他地方,图中标注处即冯·卡门环形山(图修改自:Garrick-Bethell and Zuber)

为了成功着陆并释放月球车探测,所克服的难度和意义可想而知。

看点六:为什么四天就到月球,还迟迟不着陆?

嫦娥四号早在 12 月 8 日就出发,使用了我国目前深空探测的最强火箭长三乙改 III 型。3.8 吨重的它仅花了 4 天 14 时 16 分就完成了发射、轨道校正、近月制动、进入工作轨道,是四次主要任务中最短的一个。但依然等到了 2019 年 1 月 3 日才进行着陆任务。

为什么需要这么长的时间呢?

是为了等待时机。

月球被潮汐锁定,自转与公转相同,导致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。换做地球时间就是近 14 天交替的白天黑夜。在进入月球轨道后,嫦娥四号一边测试仪器,一边等待月球进入白天,毕竟它的主要能量来源是太阳能。

光线照射形成的影子,也是着陆时判断地形的重要图像参考(图源:NASA)

另一方面,由于降落地点处于南极附近,它需要逐渐调整轨道倾角才能经过这里,比较耗时。同时,也要等待太阳光照在月球的角度达到理想的状态,这样所有的地貌都会有比较清晰的阴影,最大程度辅助光学设备选择并定位着陆地点。

网上有说法是,阿波罗登月的选择时间参考了中国的传统历法——农历,某种程度上,这个说法挺有道理,因为农历与月相一致,月相又说明了月球上太阳光照情况。这是登月设备的重要参考。

看点七:嫦娥四号着陆怎么“走位”?

由于降落的难度大大增加,嫦娥四号的着陆方式也将作出改动。由于着陆地的独特地貌特点,它的避障需求远高于其他着陆任务。

嫦娥三号和四号动力下降过程对比(图源:李飞等)

可以看出,在进入准备阶段后,嫦娥四号的轨迹不降反升,而后进入一个几乎要实现长距离垂直下降过程,期间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程,难度极大。这么一个复杂的“走位”,对自主导航制导与控制要求极高。

看点八:嫦娥四号的能量怎么来?

采用太阳能电池板和充电电池组合,是很多月球探测器的基本配备。在(月球)白天,月球上太阳能极其充沛,太阳能电池板充电,剩余电能储蓄下来,所有系统正常工作。晚上能量不足,只能冬眠或降低工作强度。我国的嫦娥三号和玉兔号任务,以及苏联、美国诸多无人探测器,大都采用这个方案。

2013 年 12 月 2 日发射的嫦娥三号和玉兔号月球车,它们能量主要依靠太阳能电池板(图源:中国航天科技集团)

为应对夜晚过低的温度,探测器还需要携带放射性同位素元素钚 -238,它的半衰期长达 88 年,会源源不断释放热量,做保温用,嫦娥三号即是如此。与此同时,它的热量也可以收集起来用以发电,这就是大名鼎鼎的“核电池”,太阳系的五个使者:先锋十号、先锋十一号、旅行者一号、旅行者二号、新视野号,皆是依靠它实现了深空之旅。

而在嫦娥四号上,中国将首次实验自己的“核电池”技术。尽管它不是最主要的能量来源,但这个突破已经意义重大。

看点九:逆袭的备份!

嫦娥四号原本是嫦娥三号的备份版本,但毫无疑问,目前它的科学和工程目标都大大超出了前者。在嫦娥四号动力下降过程中,它需要鹊桥号配合完成全部动作,这就要求对星上传感器和核心降落辅助设备进行全新升级。

月面微型生态圈,带有马铃薯、蚕、拟南芥和生命支撑系统(图源:重庆大学)

基于过往经验,嫦娥四号对月球车进行了一定改进,以期延长使用寿命,扩大科研成果。太阳能帆板系统也升级为高效三结砷化镓材料,能量来源更强劲。对嫦娥三号已有的测月雷达等设备进行升级。

此外,在科学仪器上,为充分利用月球背后的“干净”天文观测条件,它新增了探测中子及辐射剂量、低频射电和中性原子等一系列设备。除了科研,它还携带了一个以科普为主要目标的月面微型生态圈,里面有几种生物,也是人类首次进行月面生物实验。

看点十:国际合作大突破

嫦娥探月工程作为中国最具标志性大型科学研究项目之一,在扩展中国航天国际影响力、甚至直接促进国际合作方面的意义对我国而言是无可取代的,而嫦娥四号任务(本质上鹊桥号中继卫星也属于嫦娥四号任务的一部分)更是为中国航天迈出了突破性的一步。

嫦娥四号任务的火箭整流罩上有众多国际机构,可以看出这是个高度国际化的任务(图源:中国航天科技集团)

在科学方面,低射频电探测仪是与荷兰合作,月表中子与辐射剂量探测仪是与德国合作,中性原子探测仪是和瑞典合作,月球小型光学成像探测仪是与沙特合作。

在任务成功后,嫦娥四号收集来的一手科研数据将会对外全部公开,欢迎全世界科学家共同研究。一言以蔽之:嫦娥工程是近些年中国航天在国际上最大的一张名片,造成广泛影响的同时,也在行业内外得到了很多关注,是我国航天对外开放吸引合作的最佳平台。

因而,眼前的嫦娥四号,不仅是中国的,更是全世界的。它的科学和工程意义,对整个人类而言都是重大突破。

主要参考文献:

  1. 文中的“吴伟仁等”指来自此期刊文章:吴伟仁,王琼,唐玉华,等. “嫦娥 4 号”月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报,2017, 4(2):111-117.
  2. 文中的“李飞等”指来自此期刊文章:李飞, 张熇, 吴学英, 等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]. 深空探测学报, 2017, 4(2): 143-149.
  3. NASA 最早提出的完整月球信号中继方案可见文章:Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.
  4. 南极 - 艾特肯盆地高程原图来自:Potter, R. W. K., G. S. Collins, W. S. Kiefer, P. J. McGovern, and D. A. Kring (2012), Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, Icarus, 220, 730–743, doi:10.1016/j.icarus.2012.05.032.

(本文中标明来源的图片均已获得授权)

出品:科普中国

制作:太空精酿

监制:中国科学院计算机网络信息中心

haibaraemily,公众号haibaraemily_planets

2019 年 1 月 3 日上午 10:26,经过 26 天的飞行,嫦娥 4 号月球探测器顺利着陆在月球背面东经 177.6°,南纬 45.5°的预选着陆区中,成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器,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。这是中国探月工程“绕、落、回”计划的第二阶段,也是继 5 年前的嫦娥 3 号任务成功完成之后我国深空探测史上的新篇章。

嫦娥 4 号任务包括一枚着陆器和巡视器(月球车)的组合体,以及一枚为着陆器 / 月球车与地球提供通讯的中继卫星“鹊桥”号。鹊桥号是人类首颗位于地月拉格朗日 L2 晕轨道(halo 轨道)的通讯中继卫星,目的是为了解决着陆任务挑战月之背面的通讯难题,因此已在半年多前提前发射并于 6 月 14 日顺利抵达预定轨道。

着陆之后的嫦娥 4 号会打开太阳能电池板,将天线指向中继星传回讯号,并于几个小时后释放月球车。我们即将再次看到着陆器和月球车历史性的两器互拍

2013 年 12 月 15 日,嫦娥 3 号落月 6 个小时后,着陆器的地形地貌相机和月球车玉兔的全景相机互拍

(正式高清图稍后才会陆续放出,先用低清版想象一下吧)这是着陆器的降落相机拍的▼

这是着陆器的监视相机 C 拍摄的着陆点南侧月球背面图像▼

嫦娥 4 号的奔月之路

2018 年 12 月 8 日凌晨 2:23,嫦娥 4 号发射升空,奔向约 38 万公里外的月球。

12 月 12 日 16 时 45 分,经过约 110 小时的地月转移轨道后,嫦娥 4 号探测器成功实施近月制动,进入了近月点约 100 公里的环月轨道。

12 月 30 日 8 时 55 分,嫦娥 4 号探测器在距月面平均高度约 100 公里的环月轨道上成功变轨,降轨进入近月点高度约 15 公里、远月点高度约 100 公里的环月轨道,顺利进入预定的月球背面着陆准备轨道[2]。

更多详情参见:

嫦娥 4 号中继星“鹊桥”发射成功:一桥飞架南北,天堑变通途

嫦娥 4 号发射成功:去往从未踏足过的地方,需要一点勇气

嫦娥 4 号的奔月之路是这样的(手机横屏观看)▼

嫦娥 4 号如何着陆?着陆在哪里?

嫦娥 4 号的着陆点位于月球背面南极 - 艾特肯盆地(简称 SPA)中的冯·卡门撞击坑(中心位于东经 176.2°,南纬 44.4°)内。不用多说,这个撞击坑是以航天工程学家、NASA 喷气动力实验室(JPL)的创始人之一冯·卡门的名字命名的,他也是“中国航天之父”钱学森先生的博士导师。

嫦娥 4 号本次选择探访南极 - 艾特肯盆地,不仅仅是因为月之背面还没有着陆任务去过,还因为南极 - 艾特肯盆地本身就有重要的、不可替代的科学价值。直径约 2400 公里、形成于月球前酒海纪(39.2 亿年前)的南极 - 艾特肯盆地深达 12 公里,是太阳系中目前已知的最大的撞击盆地之一,也是月球上最深、最古老的大型撞击盆地。因此,对南极 - 艾特肯盆地的实地考察,有助于帮助人类加深对南极 - 艾特肯盆地的形成、月球深处的成分,以及月球地质历史的理解。

然而,着陆南极 - 艾特肯盆地艰险异常。尽管鹊桥中继卫星解决了通讯难题,但不同于大片大片被月海玄武岩覆盖的平坦的正面,月球的背面崎岖坎坷,鲜有大片平坦的地方,被层层叠叠的撞击坑覆盖的南极 - 艾特肯盆地中也是如此——这里的起伏可以高达 7 公里,而且波动明显[3]。

冯·卡门撞击坑中因为有大片被月海玄武岩覆盖的区域,成了月球背面少有的平坦区域,这也是嫦娥 4 号选择在这里着陆的重要原因之一。当然,除了地形之外,这里的光照、测控等条件也是经过了检验,适合嫦娥 4 号顺利着陆和探测的。

然而,即便找到了平坦的地方,嫦娥 4 号着陆的难度系数依然非常高,因为冯·卡门撞击坑的直径只有 186 公里——这意味着嫦娥 4 号必须落得飞常准。一旦偏了一点,就可能落不进平坦的区域,而是撞上崎岖的高山低谷了。

因此,嫦娥 4 号的着陆策略也做出了调整。虽然和嫦娥 3 号一样,自主着陆的嫦娥 4 号整个动力下降过程也分为 6 个阶段:主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。但不同于嫦娥 3 号的抛物轨迹下降,嫦娥 4 号选择进一步减小着陆位置的不确定性,以近乎垂直的方式着陆

嫦娥 4 号将要探测什么?

嫦娥 4 号此行主要有三大目标

1、探测月球背面巡视区的地形地貌、矿物成分;

2、探测背面巡视区的浅表层结构;

3、利用月球背面得天独厚的射电天文环境展开低频射电天文观测。

要如何完成这些目标,当然是得看嫦娥 4 号带了些什么了。作为嫦娥 3 号的备份机,嫦娥 4 号不管是外形还是携带的科学仪器都很大程度上继承了嫦娥 3 号,带的仪器也有很大的相似性。

嫦娥 4 号和嫦娥 3 号一样携带了 8 个科学仪器,但根据实际探测目标和探测环境的变化对携带的科学仪器做出了新的调整[1]。

1、降落相机(着陆器)

降落相机位于着陆器底部,大小 116×100×70.4 毫米,重约 0.5 公斤,硬件指标与嫦娥 3 号的着陆相机相同[4]。

降落相机的主要任务是在着陆器降落过程中获取不同时段不同高度处降落区域的地形地貌数据,因此会一直垂直指向月表。

由于降落相机只在降落过程中使用,所以它的工作时间非常短,只有几分钟。

2、地形地貌相机(着陆器)

地形地貌相机位于着陆器顶部,大小 92× 105× 118.9 毫米,重约 0.64 公斤,可以拍摄可见光波段下的彩色影像,硬件指标与嫦娥 3 号的地形地貌相机相同[4]。

地形地貌相机的主要任务是拍摄月球表面和月球车的影像,可以拍摄着陆区周围 360°的全景照片。

3、低频射电频谱仪(着陆器)

低频射电频谱仪是嫦娥 4 号为了充分利用月球背面天然无干扰的射电天文环境而新搭载的仪器,任务是在月球背面进行太阳低频射电特征和月表射电环境的观测,填补 0.1~40 MHz 范围内的射电观测空白[1]。

3 根 5 米长的低频射电频谱仪天线是为了分别接收电磁波信号的三个相互垂直的分量,这也是嫦娥 4 号着陆器与 3 号在外形上最显著的区别。

由于电离层的阻挡,波长 10 米以上的电磁波几乎完全无法穿透大气来到地球表面,想要对这类以及波长更长的低频电磁波进行观测,就必须离开地球大气层——月球背面就是一个极佳的观测场所

事实上,除了地球电离层的干扰,月球背面的低频射电观测还能有效屏蔽人类活动的干扰——10 米以上在天文上是所谓的超长波(低频),但在人类社会活动看来却属于“短波”(“高频”)段,这可是民用无线电广播的主要频段。

另一方面,着陆器上搭载的低频射电频谱仪还会与鹊桥中继卫星上携带的荷兰研发的低频射电探测仪(NCLE)(0.1-80 MHz)协同观测,互为验证和补充。

4、月表中子及辐射剂量探测仪[德](着陆器)

与德国基尔大学合作研制,搭载在着陆器上。目标是测量月表包括带电粒子、γ射线和中子的综合粒子辐射剂量和 LET 谱,以及月表快中子能谱、热中子通量等参数,为未来载人登月的安全活动和月表综合粒子辐射模型修正提供数据支持。

5、全景相机(巡视器)

巡视器(月球车)上搭载了 2 台全景相机,大小 90×110×120 毫米,总重约 0.69 公斤。全景相机安装在月球车的桅杆上,可以实现对月球车沿途不同测区的 360°彩色成像,还能通过 2 台相机对目标进行立体成像。

6、红外成像光谱仪(巡视器)

红外成像光谱仪位于月球车前侧,大小 255×172×162 毫米,重约 4.69 公斤,用于探测月球车沿途的月表矿物组成和分布,有可见光近红外(450-950 纳米)和近红外短波红外(900-2400 纳米)两个通道,硬件指标与嫦娥 3 号的红外光谱仪大致相同[4]。

7、测月雷达(巡视器)

测月雷达的工作原理是通过主动发射和接收雷达信号来探测地下结构。嫦娥 4 号月球车上搭载的测月雷达目标是探测月球车沿途地下的浅表层结构,例如月壤厚度、月壳浅层结构等,帮助我们追溯巡视区所在区域的地质历史。

嫦娥 4 号和 3 号一样,搭载了 2 个不同频率的测月雷达,目的是为了兼顾探测深度和探测分辨率

低频测月雷达(第一通道)天线位于月球车后部,中心频率 40~80 MHz,分辨率较低(米级),但可以探测较深的地下结构(≥100 米);

高频测月雷达(第二通道)天线位于月球车底部,中心频率 250-750 MHz,分辨率较高(≤30 厘米),但只能探测较浅的地下结构(≥30 米)。

8、中性原子探测仪[瑞典](巡视器)

与瑞典空间物理研究所合作研制,搭载在月球车上。目标是测量月球车沿途 0.01-10 keV 能量范围内的能量中性原子和正离子。这将是人类首次在月球表面进行中性原子探测

可以看出:

嫦娥 4 号在嫦娥 3 号的基础上保留下来的仪器们主要用于拍摄着陆过程和着陆区附近的地形地貌(降落相机、地形地貌相机、全景相机)、探测矿物成分(红外成像光谱仪)和浅表层结构(测月雷达);

而替换的新仪器们(低频射电频谱仪、月表中子及辐射剂量探测器、中性原子探测器)则侧重于利用月球背面得天独厚的天文环境进行探索性观测。

绝对是因地制宜了。

嫦娥 4 号的着陆器和月球车的设计寿命分别为6 个月3 个月,所以在接下来的半年里,我们可以期待嫦娥 4 号带来更多惊喜~

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