?月背將迎首位地球"旅客" 嫦四與"玉兔"有何不同？
2018-12-9 青野云麓
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新京報消息，昨日凌晨2時23分，我國嫦娥四號月球探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，我國第二個月球著陸器和月球車踏上登月征程。發(fā)射任務(wù)由長征三號乙運載火箭實施。
火箭將嫦娥四號送入地月轉(zhuǎn)移軌道后，探測器將經(jīng)過數(shù)十天在軌飛行、軌道修正、近月制動、環(huán)月飛行等，預(yù)計明年1月初著陸月面，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。
據(jù)國防科工局、國家航天局介紹，嫦娥四號任務(wù)的工程目標(biāo)包括兩方面：研制發(fā)射月球中繼通信衛(wèi)星，實現(xiàn)國際首次地月拉格朗日L2點的測控及中繼通信；研制發(fā)射月球著陸器和巡視器，實現(xiàn)國際首次月球背面軟著陸和巡視探測。
嫦娥四號的科學(xué)任務(wù)，一是開展月球背面低頻射電天文觀測與研究，二是進行月球背面巡視區(qū)形貌、礦物組分及月表淺層結(jié)構(gòu)探測與研究，三是試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環(huán)境探測研究。
航天專家龐之浩介紹，在月球背面著陸探測，對研究月球和地球的早期歷史也具有重要價值。
嫦娥四號還承擔(dān)了國際合作項目。嫦娥四號任務(wù)中，我國與荷蘭、德國、瑞典、沙特開展了4項科學(xué)載荷方面的國際合作，搭載了3項由哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)、重慶大學(xué)等國內(nèi)高校研制的科學(xué)技術(shù)試驗項目。
焦點1
嫦娥四號如何著陸？
5年前，嫦娥三號著陸在月球正面的虹灣。那里布滿月海玄武巖，地勢較為開闊、平坦，位于大型撞擊坑、月海、高地(山脈)交匯地區(qū)，有利于科學(xué)勘察目標(biāo)的選擇。
而嫦娥四號的主著陸區(qū)為月球背面南極-艾特肯盆地，著陸區(qū)面積比虹灣地區(qū)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(qū)地形起伏僅800米，而嫦娥四號著陸區(qū)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(zhǔn)確的著陸精度。
由于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(zhuǎn)下完成。整個落月過程由GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)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”。
焦點2
為何要去月球背面？
航天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(xué)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(shè)無線電望遠鏡，就好比把“天文臺”搬到了月球背面。嫦娥四號著陸器在月球背面軟著陸后，將開展月基低頻射電天文觀測研究，預(yù)期可以獲得一批原創(chuàng)性的科學(xué)成果。
月球背面探測，也有助于推動月球資源的研究和開發(fā)利用。月球蘊藏著豐富的礦產(chǎn)和能源資源，開發(fā)和利用月球資源是人類探測月球的原動力之一。近年來，美國等國家相繼制定了包括月球背面資源調(diào)查研究計劃。通過嫦娥四號對著陸區(qū)地形地貌、礦物組分、巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)、地幔物質(zhì)等進行科學(xué)探測與研究，將為月球資源的開發(fā)利用提供極有價值的第一手資料。
由于月球背面探測的難度，嫦娥四號任務(wù)也將助推我國航天和相關(guān)學(xué)科技術(shù)的突破。
據(jù)嫦娥四號研制人員介紹，要完成前無古人的月球背面之旅，嫦娥四號面臨幾大技術(shù)難點：地月拉格朗日L2平動點軌道精確設(shè)計與控制，地月拉格朗日L2點遠距離數(shù)據(jù)中繼，復(fù)雜地形環(huán)境下的安全著陸等。
為了突破這些技術(shù)難點，我國航天界將實現(xiàn)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(nèi)首次實測月夜期間淺層月壤溫度。這一重大科學(xué)創(chuàng)新工程的實施，將推動航天技術(shù)和其他科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。
焦點3
新月球車與“玉兔”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航天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”的狀態(tài)，但針對月球背面復(fù)雜的地形條件、中繼通信新的需求和科學(xué)目標(biāo)實際需要，做了適應(yīng)性更改和有效載荷配置調(diào)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”抵達月球表面。據(jù)中國工程院院士、中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁介紹，月球環(huán)境曾對“玉兔”造成影響，例如月夜極低氣溫導(dǎo)致“玉兔”裸露在外的電纜發(fā)生故障。
基于“玉兔號”的任務(wù)經(jīng)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(fēng)險。
吳偉仁透露，嫦娥三號著陸器和月球車設(shè)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(tài)依然很好。嫦娥四號月球車設(shè)計壽命也是3個月，但預(yù)計工作時間將比“玉兔號”更長。
焦點4
“鵲橋”“嫦四”有何關(guān)聯(lián)？
今年5月21日，“鵲橋”中繼衛(wèi)星發(fā)射升空，也被稱為嫦娥四號任務(wù)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(fā)布），但嫦娥四號系統(tǒng)里還有一個“信使”——“鵲橋”中繼衛(wèi)星。
由于嫦娥四號降落在月球背面，始終與地球“背對背”，無法直接與地球通信。為解決通信問題，科學(xué)家找到一個能同時“看到”地球和月球的位置——地月拉格朗日L2點（位于地月球心連線上靠近月球的一側(cè)，距月球約6.5萬公里），并在這里部署一顆通信衛(wèi)星。
“鵲橋”已經(jīng)于今年5月21日發(fā)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(wèi)星。任務(wù)中，地球地面和嫦娥四號都先發(fā)射信號給“鵲橋號”，再由其轉(zhuǎn)發(fā)給另一方。
■ 揭秘
“月之暗面”：更白更厚更崎嶇
過去60年，人類共發(fā)射了132個左右的月球探測器，包括65個月球著陸器，但僅有不載人的環(huán)繞月球軌道器和載人的阿波羅號飛船“看”到過月球背面。主要是由于從地球向月球背面發(fā)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。
月球總是一面朝向地球
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，地球強大的引力讓月球總是一面朝向地球。
美國航空航天學(xué)會會員、“小火箭”聯(lián)合會創(chuàng)始人邢強博士告訴記者，約41%月面無法被地球直接觀測到。因為當(dāng)飛行器飛到月球背面，就難以和地球建立通信，這也是長期以來，人類探測器從未在月球背面著陸的主要原因。
可以說，月球背面對于人類來說，是“秘境中的秘境”。
隨著由中國航天科技集團五院研制的嫦娥四號從西昌出發(fā)，人類首次月球背面軟著陸巡視探測的大幕正式拉開。嫦娥四號將第一次觸及月球背面，這也是中國探測器目前到達的最遠的土地。
并非完全看不到月背
據(jù)五院科研人員介紹，月球存在著“天秤動”，像鐘擺一樣來回擺動，因此，至少有10%至20%的月球背面的邊緣地帶可以從地球上看到，比如一個跨越1000千米的撞擊盆地——東海。
1959年10月7日，蘇聯(lián)“月球三號”探測器傳回月球背面的第一張照片后，月球背面的“真容”就第一次被揭開了。依照這些珍貴的照片資料，蘇聯(lián)在1960年11月6出版了第一份月球背面地圖，一年之后，又制作了第一個月球儀，更加清晰地呈現(xiàn)出月球背面的初步特征。
1965年7月20日，蘇聯(lián)“探測器三號”傳送回了25張畫質(zhì)更好的月球背面照片，可以看到月球背面有一條長數(shù)百千米的鏈狀隕石坑。1967年，蘇聯(lián)根據(jù)這批照片出版了包含4000個新發(fā)現(xiàn)的月球背面地形目錄的地圖，同年發(fā)布了第一份比例為1:5000000完整的月面圖和修訂后完整的比例為1:10000000月球儀，月球95%的表面都在上面呈現(xiàn)了出來。
人類首次與月背面對面
人類首次與月背面對面是在1968年，美國“阿波羅八號”在進行載人登月任務(wù)試驗的時候，宇航員威廉·安德斯首次看到月球背面。他描述說：“月球背面看起來像我在孩提時玩過一段時間的沙堆，它們?nèi)急环饋?，沒有邊界，到處是一些碰撞痕和坑洞”。
從那時開始直到“阿波羅十七號”，宇航員都曾看到過月球的背面。
2010年12月21日，美國國家航空航天局（NASA）的“月球勘測軌道器”拍攝了一組高清月球背面照片，解析度是以往所拍月球背面照片的106倍，所呈現(xiàn)的細節(jié)精細程度也創(chuàng)下了歷史紀(jì)錄。根據(jù)這些最新照片數(shù)據(jù)，美國宇航局繪制了月球背面數(shù)字海拔地形圖，直觀地揭示了月球背面的地形。
如今，人類觀察月背的視角將從太空中變?yōu)樯砼R其境。嫦娥四號將首次實現(xiàn)月球背面軟著陸和巡視勘察，迎接它的將是怎樣的環(huán)境呢？
布滿巨坑的崎嶇陸地
據(jù)航天科技集團五院專家介紹，乍一看上去，月球背面“面孔”并不漂亮，像是一張“麻子臉”，隕石坑的數(shù)量比月球正面要多很多。
月背的“皺紋”也很多，布滿溝壑、峽谷和懸崖，而月球正面則更平坦。月背還有幾處巨大的暗斑，暗斑中的物質(zhì)與月面普通物質(zhì)相比有很大不同，這種現(xiàn)象似乎能夠說明，月球背面由于毫無遮攔地暴露在太空里，因而遭遇了大量天體直接撞擊。經(jīng)年累月，月球就像一個盾牌，為地球擋住隕石，守護著地球的安全。
月球背面月殼整體比正面更厚，究竟是什么原因?qū)е略職ず穸炔灰粯?，眾說紛紜。照片顯示，月球背面巨大的隕石坑都呈現(xiàn)出白色，好像從來沒有暗色的熔巖從上面流過?？茖W(xué)家們研究認(rèn)為，由于月球背面的月殼很厚，熔巖無法溢出，而正面月殼很薄，熔巖很容易破縫流淌在表面，所以顏色比正面要白得多。
此外，月球正面月海很多，而月球背面卻只有3個，分別叫東海、莫斯科海和智海。月球正面有許多巨大綿延起伏的山巒，而背面卻不像正面那么多。
關(guān)鍵一步已經(jīng)邁出
我們只能看到月球的一邊，但這并不是說另外一面永遠是黑暗的。事實上，當(dāng)我們看到整個月球正面的時候，即滿月時，它的另一面是黑暗的；而月初月末時，月球背面則是陽光普照。
由于目前還沒有宇航員或月球車登上月球的背面，因此，人們對月球背面詳細情況除了借助照片判斷，其他的知之甚少。而嫦娥四號探測器，為人類逐步揭開月球背面的奧秘邁出了關(guān)鍵的一步。