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潮评社 | 嫦娥四号:别具慧眼的选择
    | 发布时间:2019-01-12 13:15:06

   月球之于人类具有特别重要的意义,从“阿波罗”登月到“嫦娥”落月,虽然时间横跨半个世纪之久,但相较于月球的巨大秘密,我们认识月球的旅程或许才刚刚开始。

  自古以来,人类对月球就充满向往,我们在世界各地都可以找到祖先膜拜月球的印记。中国神话传说中的嫦娥家喻户晓,嫦娥奔月的故事至今仍魅力不减。但直到航天时代到来,人类才有机会真正深入了解月球。半个世纪以来,人类探月事业既有低谷,也正在迎来一个新的高潮。2019年正值人类首次登月50周年,而在这样一个有着特别意义的年份,中国航天在新年伊始就在探月征途中迈出具有划时代意义的一步。

  北京时间2018年12月8日2时23分,嫦娥四号月球探测器在西昌卫星发射中心成功发射升空,开启飞向月球的旅程。

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  探月工程嫦娥四号任务11日下午传来捷报。嫦娥四号着陆器、玉兔二号巡视器顺利完成互拍成像,任务取得圆满成功,实现探月工程“五战五捷”。中共中央政治局委员、国务院副总理刘鹤,中共中央政治局委员、中央军委副主席张又侠在北京航天飞行控制中心观看实况。刘鹤宣读了中共中央、国务院、中央军委的贺电。

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  11日16时许,刘鹤、张又侠来到北京航天飞行控制中心,听取了探月工程进展等情况汇报,充分肯定取得的各项成果。随后来到飞控大厅,通过指挥显示系统观看两器互拍成像实况。

  “相机拍照,图像下传。”随着测控指挥下达指令,着陆器地形地貌相机对巡视器成像,巡视器全景相机对着陆器成像。数据通过“鹊桥”中继星下传后,屏幕显示“两器”上的五星红旗在月球背面交相辉映。

  16时47分,国家航天局局长、探月工程总指挥张克俭宣布,嫦娥四号任务取得圆满成功。

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  嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器分离后按计划开展了相关工作。截至2019年1月4日17时,玉兔二号巡视器与中继星成功建立独立数传链路,按计划在月面行走到达A点,开展科学探测。此后,嫦娥四号将迎来月昼高温考验,巡视器择机进入“午休”模式,预计于1月10日唤醒。

  与众不同的着陆

  嫦娥四号成功着陆,引起全世界的广泛关注,而关注点都聚焦在着陆地点。在嫦娥四号前,人类发射的探测器共有20个在月球表面软着陆,其中美国11个、苏联8个、中国1个(嫦娥三号),但这些探测器都是在月球正面着陆,所以这次嫦娥四号的着陆地点就显得非常特别。

  月球是个球体,却有“正面”和“背面”之分,原因在于经过数十亿年的伴行后,月球已经被地球潮汐锁定,即它的自转周期和公转周期相同,这样人类在地球上永远只能看到它固定朝向地球的一面,这一面就被称为“正面”。考虑月球天平动和视差现象,人类在地球上可观测的月球表面实际上超过一半,可以达到月球总表面积的59%。但在航天时代到来之前,月球表面的另一部分却始终处于人类的观测之外。这个神秘的“背面”不为人所知,也为很多科幻作品提供了创作的灵感。

  在嫦娥四号之前,各国探测器之所以全部选择在面向地球的正面着陆,原因就是在正面着陆难度较小。除了月球背面地形复杂外,在月球背面着陆的一个难点在于探测器在月球背面由于受到月球的阻隔,无法直接实现与地球的测控通信和数据传输。所以嫦娥四号要想完成预期任务,就需要先搭建一个中继传输平台。

  2018年5月21日,地月通信中继卫星“鹊桥”发射升空。6月14日,“鹊桥”成功进入工作轨道。“鹊桥”运行在距离月球背面约6.5万千米的地月第二拉格朗日点(L2点)附近,不仅全程观测嫦娥四号的探测过程,还将充当“信使”负责嫦娥四号与地球的通信。发射中继卫星这一创举为嫦娥四号的成功着陆奠定了基础。

  同嫦娥三号携带一辆月球车“玉兔号”一样,嫦娥四号本次也携带了一辆月球车。成功着陆当天,国家航天局根据全球征名活动的结果,将这辆月球车命名为“玉兔二号”。在正式名字出炉前,月球车其实已经开始工作。在对设备状态进行检查确认后,1月3日15时7分,位于北京航天飞行控制中心的科研人员通过“鹊桥”向嫦娥四号发出指令,着陆器和月球车开始分离。22时22分,月球车踏上月球表面。着陆器上的相机拍下了开始月面巡游的“玉兔二号”的照片,并通过“鹊桥”传回飞行控制中心。着陆器与月球车分离后,各自携带的有效载荷陆续开机,将开展一系列就位探测和巡视探测活动。

  与月球正面相比,月球背面的环境更加恶劣,科研人员这次在“玉兔号”的基础上对月球车进行了升级改造。月球背面昼夜温差达到300℃,因此“玉兔二号”采用组合能源供给——白天使用太阳能电池板收集太阳能,夜晚使用同位素热源为仪器设备供热,保障月球车不受低温影响。同时,“玉兔二号”在电缆设计和材料应用上均有所改进,而且可以爬20度坡,跨越200毫米的障碍,这就能确保各项任务顺利完成。

  奥秘隐藏于深部

  嫦娥四号在月球背面成功着陆,实现“人类首次”,令中国航天人倍感振奋。他们面对各种困难,把着陆地点选择在月球背面,并非单纯为了实现一个“第一次”那么简单,而是因为月球背面有非常重要的科研价值。

  1959年,苏联月球3号探测器拍摄到了第一张月球背面的影像,人类能够第一次窥见月球背面的庐山真面目。1968年,美国阿波罗8号执行环绕月球的任务时,航天员首次直接用肉眼看到了月球表面。宇航员威廉·安德斯(William Anders)这样描述当时所见:“背面看起来像我在孩提时玩过一段时间的沙堆,它们全都被翻起来,没有边界,只是一些碰撞痕和坑洞。”

  随着神秘的面纱被逐渐揭开,探索月球背面的重要意义也开始显现出来。在月球背面,来自地球的无线电波会被屏蔽,所以那里成为建设低频射电望远镜的理想地点。科学家在月球背面开展低频射电探测,有望在行星际激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理方面取得原创性成果,并为研究宇宙的暗黑时代和黎明时期等重要科学问题收集资料。

  通过早期对月球正面的观测,科学家把明亮的区域称为“月陆”,较暗的区域称为“月海”。月球的背面与月球的正面有着非常显着的差异。正面有31.2%的面积被月海所覆盖,而在背面这一比例仅为大约2.5%。背面的主体部分是大量起伏不平的撞击坑,其中就包括这次嫦娥四号的着陆地点冯·卡门撞击坑所在的南极—艾特肯盆地——太阳系中第二大撞击坑。

  嫦娥四号的着陆区域可以说是大坑套小坑。它在着陆过程中最大落差又超过16千米,即周围是超过10千米的高山,而嫦娥四号要降落在深6千米的盆地中,因此与嫦娥三号选择降落在地势较为平

  坦、开阔的虹湾相比,这次的降落难度大得多。选择在地形环境如此复杂的区域着陆,虽然挑战重重,却也具有重大科学价值。科学家认为,冯·卡门撞击坑的物质成分和地质年代很具有代表性。嫦娥四号着陆器和月球车通过对月球背面巡视区的形貌和矿物进行探测和研究,可以对月球背面的物质组成获得新的认识,获得高分辨率的影像资料,建立月球物质组成模型。结合地形地貌与物质组成的探测结果,科研人员还能深入了解月壳早期演化历史。

  在人类逐渐开始畅想星际旅行和星际移民的时代,月球被当作一个重要的中转站,建立月球基地也已经被提上研究日程。在这个过程中,月球的水和其他资源成为研究人员关注的重点。1998年,美国国家航空航天局(NASA)的月球勘探者号曾经在南极—艾特肯盆地发现水冰存在的迹象。嫦娥四号的探测工作,将为在月球找水提供更多的数据。

  在全球气候变化的大背景下,寻找清洁能源已经成为全人类的当务之急。提到在月球寻找能源,氦-3曾被反复提及。这种物质作为核聚变的原料不会产生核辐射,不会污染环境,因此是非常理想的核燃料。但是地球上氦-3的储量极其稀少,而科学家估计月球的氦-3的储量很高,而且月球背面的储量理论上会比正面的储量更高。因此,在月球背面开展氦-3的探测,将为下一步在月球利用氦-3或把氦-3运回地球做好前期准备工作。

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  2018年11月7日在珠海航展上拍摄到的“鹊桥”中继星。(东方IC/图)

  循序渐进的探月

  嫦娥四号在月球背面成功着陆,也标志着我国探月工程又迈出了坚实的一步。1991年,时任863计划航天领域首席科学家的闵桂荣院士提出中国应开展月球探测活动的建议,并成立了“863月球探测课题组”。2000年,中国科学院研究组完成题为《中国月球资源探测卫星科学目标》的研究报告,提出了现今被广泛接受并作为立项目标的“绕、落、回”三步走的设想。2004年1月23日,国务院正式批准了月球探测工程一期——绕月探测工程立项,中国人真正迈出了通往月球的脚步。同年2月25日,绕月探测工程领导小组经国务院批准成立,并召开第一次会议,会议通过了《绕月探测工程研制总要求》,同时宣布:中国绕月探测工程于当日起正式实施,并将绕月探测工程正式命名为“嫦娥工程”。以嫦娥命名,寄托了中国人对探月的长久期待。

  从“绕、落、回”三期工程的科学目标看,嫦娥工程的每一步都是对前一步的深化,并为下一步奠定基础,有明显的递进关系:“绕”就是对月球进行普查;“落”就是对月球进行区域性详查;“回”就是对月球进行区域性精查。其中,嫦娥一号和嫦娥二号执行第一阶段任务,嫦娥三号和嫦娥四号执行第二阶段任务,嫦娥五号和嫦娥六号执行第三阶段任务。虽然嫦娥二号和嫦娥四号分别在各自阶段担任“替补”的角色,但最终取得的成绩却远远超出了预期。

  2007年10月24日,我国第一个月球探测器——嫦娥一号绕月探测器由长征3号甲火箭送入太空,并于2007年11月20日传回所拍摄的第一幅月面图像。2008年7月1日,嫦娥一号完成了全月球影像数据的获取。2008年10月24日,它实现了在轨1年寿命,完成了各项任务。此后,嫦娥一号又开展了变轨等十余项验证试验。为了给探月二期工程“探路”,积累在落月过程中控制和轨道测定方面的经验,嫦娥一号于2009年3月1日受控撞击了月球丰富海区域,完成硬着陆。

  嫦娥一号表现出色,因此2010年10月1日发射的嫦娥二号就被改作我国探月二期工程的技术先导星,用于试验嫦娥三号的部分关键技术,降低探月工程二期的技术风险,并在嫦娥一号任务的基础上深入开展月球科学探测和研究。2010年11月8日,我国首次公布了嫦娥二号传回的嫦娥三号预选着陆区虹湾的局部影像图。2011年8月25日,经过77天的飞行,嫦娥二号在世界上首次实现了从月球轨道出发,受控准确进入地月第二拉格朗日点环绕轨道。这也为“鹊桥”的成功发射和入轨进行了技术验证。

  2013年12月14日,嫦娥三号成功在月球表面软着陆,首次实现了我国对地球以外天体的软着陆及巡视勘察任务,使我国成为世界第三个掌握落月探测技术的国家。嫦娥三号任务取得成功,也使得嫦娥四号不再作为备份,而是要承担全新设计的任务,嫦娥四号也因此重新安排了科学载荷。其中,着陆器上安装了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪以及与德国合作的月表中子及辐射剂量探测仪这4台载荷,而月球车上安装了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪以及与瑞典合作的中性原子探测仪共4台载荷。此外,嫦娥四号还携带了一个月面微型生态圈,其中包含马铃薯、蚕、拟南芥和生命支撑系统,这也是人类首次进行月面生物实验。

  嫦娥工程三期的全称叫“月面巡视勘察与采样返回”阶段,将把装有小型采样返回舱、月表钻岩机等科学设备的嫦娥五号月球采样返回器发射至月球表面并完成软着陆。嫦娥五号预计在2019年年底前发射,从月球带回的岩石和土壤标本将成为科学家在地面研究月球的重要样本。我国在完成不载人的月球探测任务后,将综合考虑国际月球探测发展状况和我国的国情国力,择机实施载人登月探测,真正实现中国人千百年来的梦想。

  在过去数十亿年的时间里,月球挡住了不计其数的飞向地球的天体,保护地球上的生命免于不断遭受导致恐龙灭绝那样的巨大灾难的侵袭。人类进入航天时代后,月球又是人类第一个到达的地外天体。人类无论是开启前往火星的旅程,还是在未来向更遥远的深空进发,月球之于人类永远都具有特别的意义。从人类登月到嫦娥落月,虽然时间横跨半个世纪,但相较于月球的巨大秘密,我们认识月球的旅程其实才刚刚开始。

来源: 中国网    | 作者:汪杰菲    | 编辑:汪杰菲    


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