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人类航天器将首次探访月球背面 “嫦娥四号”今晨在西昌发射升空

2018-12-8 04:14:33

来源:新民晚报  作者:叶薇 叶薇

    图为上海航天研制团队正在对嫦娥四号做测试试验。 图片来源:张阳/摄(下同)

    12月8日2时23分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器,开启了月球探测的新旅程。带着对月亮的美好憧憬,探索这个距离地球40万公里的地外天体,不断向深空探索,是中国航天人矢志不渝的梦想。今天凌晨12月8日2时23分,长征三号乙运载火箭成功将嫦娥四号探测器送入地月转移轨道,踏上了人类首次月球背面着陆探测的旅程。

    嫦娥四号探测器包括两器一星,即月球软着陆探测器(着陆器)、月面巡视探测器(巡视器)、“鹊桥”中继卫星。通过实施嫦娥四号任务,我国将实现两个“第一次”:第一次实现人类探测器月球背面软着陆;第一次实现人类航天器在地月L2点对地对月中继通信。同时,嫦娥四号有望获得一批重大的原创性科学研究成果,并将为深空探测领域军民融合、创新发展积累重要经验。

    “备份星”出生5年使命不凡

    嫦娥四号最初是作为嫦娥三号任务的备份星,两者可谓是同时出生的“双胞胎”。然而,今天奔向月球背面的嫦娥四号,绝不是嫦娥三号的复制品,其“五脏六腑”都已“脱胎换骨”,从某种意义上说是一次真正意义上的“首飞”。

    当嫦娥三号探测器完成落月任务后,其备份嫦娥四号没有再面临是否发射的问题,但在任务规划上仍有分歧。不少人认为,嫦娥四号无需冒险,还应落在月球正面。嫦娥系列各型号总指挥、总设计师顾问叶培建却认为,中国探月工程应该走一步跨一步。落到月球背面去,这是一个创举。在他和部分航天专家的坚持下,才有了如今的嫦娥四号任务。探访月球背面,将推动月球天文观测科学研究的不断深入。月球背面没有无线电波的干扰,是进行天文观测的最佳场所,如果能利用这一自然地形架设无线电望远镜,就好像把“天文台”搬到了月球背面。同时,月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源,科学家估计月球背面的月海中,可能会有比正面浓度更高的核聚变材料氦-3。

    作为备份星,产品贮存时间长,是团队在研制嫦娥四号时没法绕开的问题。中国航天科技集团有限公司八院嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花介绍,研制团队将电源分系统等产品经过验证后使用,而移动机构、桅杆机构、太阳翼基板等产品几乎与嫦娥三号同步生产,到今天已经整整过去5年,超出了原有贮存期。

    到底是沿用原来的产品,还是重新投产,团队决定用数据说话。先前并没有基板复合材料地面贮存这么长时间的先例,如何验证,一开始就让大家一头雾水,但团队从贮存环境、机理分析、同状态类似地面贮存产品试验验证等方面着手,结合嫦娥四号本身产品的热试验、力学试验、展开试验等性能测试、验证,确认已投产的嫦娥四号太阳翼基板经过地面贮存5年,其性能能够满足嫦娥四号任务需要,可以直接沿用。最终,按照机构产品重新研制确保产品性能可靠;结构产品经复测性能符合要求继续使用并按要求进行环境试验的方式,最大程度的兼顾了研制进度和产品质量。

    嫦娥四号巡视器总装工人赵杰介绍说,如果要用新投的单机,需要先把原有的结构件拆分,把新投的结构件或者固定润滑的零件重新再装配,再后续把所有这些实验重新补做一遍,整个周期非常长,来不得半点马虎。近百项复查、测试工作一项都不能少,一刻都不能松懈。有时,往往一次专项测试就要完成近百种情况的试验,白天黑夜连续近40多个小时不间断。

    着陆地凹凸不平“巴掌大”

    嫦娥三号着陆区是月球正面的虹湾。那里布满了月海玄武岩,地势较为开阔、平坦,位于大型撞击坑、月海、高地(山脉)交汇地区,有利于科学勘察目标的选择,也有利于与地球的通信联系。而嫦娥四号的主着陆区为月球背面靠近南极一个叫冯·卡门撞击坑的地方,这里着陆区面积比虹湾地区小了许多,因为月球背面山峰林立,大坑套小坑,很难找出再大一些、平坦一些的地方,供嫦娥四号安身,因此,嫦娥四号着陆器在凸凹不平“巴掌大”的地方着陆,难度非常大。

    “艾特肯盆地的地形比较崎岖,撞击坑大而且分布密集,这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了很高的要求。”张玉花介绍说,嫦娥三号月球正面着陆区地形起伏仅800米,而嫦娥四号月球背面着陆区地形起伏达到了6000米,简单说来,嫦娥三号落的是平原,嫦娥四号去的是山区,落的地方还可能有阴影或山形遮挡。“我们就希望巡视器能自主地能够走出测控或太阳的遮挡区,走到测控能够通信,或者阳光能够发电的地方。”

    因为地形复杂,月球背面长期受到陨石的冲击,巡视器行进过程中可能面对更多挑战。为此八院团队在嫦娥三号的基础上对巡视器移动能力进行了进一步加强,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。

    “嫦娥三号巡视器在研制时考虑月尘比较多,实际着陆后发现月面石头还是不少。这次在月球背面,着陆地崎岖不平,石头可能更多更大,我们大概做了12项可靠性试验,比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逐一测试,并形成了应对方案。”上海航天空间飞行器机构项目办副主任郑云青介绍说。

    休眠唤醒保存“体力”过月夜

    嫦娥四号发射成功后,探测器将进入地月转移轨道,随后,探测器经过在轨飞行、轨道修正、近月制动、变轨等,最终着陆月面,择机释放巡视器。

    抵达月球后,嫦娥四号如何活动?一个月夜相当于地球上14天。同时,月夜最低温度可达到零下180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,研制人员提出了休眠唤醒的概念。当太阳缓慢地升起时,着陆器和巡视器将开始忙碌的十四天工作——着陆器在原地实施科学探测,巡视器则“东奔西走”开始探测。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。一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。

    “嫦娥四号采用了目前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%。”八院探月工程太阳电池电路负责人陈城介绍道。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,其可靠性也已经过多个型号的在轨及地面考核验证。“新电池降低了太阳电池片的厚度,为太阳电池‘减重’了10%。”

    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的污染等问题。“比如,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进行充分的地面力学分析和验证,并结合月面散落的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。”据悉,在整个任务过程中,八院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、月夜转月昼七种工作模式,以应对不同工作环境、适应不同工作状态的要求。

    “鹊桥”等来“嫦娥”诉衷肠

    尽管有嫦娥一号到三号探月飞行器的成功经验,但这次嫦娥四号是首次登陆月球背面,如何给飞临月球背面的飞行器发出指令,遥控它准确着陆在预定位置,并且顺利接收传回的图像数据,是个不小的技术挑战。

    地球上无法直接看到月球背面,也就无法和月球背面直接通信。嫦娥四号探测器在月球背面着陆后,双方需要一位“话务员”,把嫦娥四号探测到的信息,通过“话务员”传递到地球上。而这个“话务员”现在已经到位。今年5月21日5时28分,嫦娥四号中继星“鹊桥”已搭乘长征四号丙运载火箭升空。卫星由火箭送入近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道。鹊桥号的主要使命就是在月球背面和地球之间“传话”,提供中继通信。

    有了鹊桥,天地对话成为可能,但地球与巡视器间的通讯时延大大增长。不同于嫦娥三号任务时科研人员可以在监控屏前实时观察到巡视器对指令的执行状况,此次从指令发出到行动图像传回至少有数分钟的延迟,对于巡视器的移动和机构活动有较明显的影响。为此,设计人员计算并设定了巡视器每项行动的最大耗时,连同每次行动指令一同发送,同时赋予巡视器一定的自主功能,以便有效应对可能的突发状况。

    与嫦娥三号巡视器相比,嫦娥四号巡视器测控数传分系统不仅要承担与着陆器的数据通信的功能,还要与中继星进行遥测和数据传输。“测控数传分系统有5种工作模式,我们在设计中充分考虑了冗余设计,使得各设备形成热备份。大大提高了系统的可靠性。”八院测控分系统负责人汪莹介绍。

    “我们常常会把测控分系统比喻成放风筝的线,航天器就像风筝一样。嫦娥三号的巡视器、着陆器都在月球的正面,在我们看得见的地方。这一次它到背面去以后,放风筝的线不能拐了,必须要有一个中转站,就是中继星‘鹊桥’。如果地面站要发指令先发给中继星,中继星通过我们的测控数传分系统来接收指令,分系统再发给其他部分,比如发给驱动,让巡视器往前走;比如将来拍国旗,也是由数传分系统先发给中继星,然后再发给地面站。”嫦娥四号数传分系统单机主管师黄波说。

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人类航天器将首次探访月球背面 “嫦娥四号”今晨在西昌发射升空

2018-12-14 04:14 来源:新民晚报 

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    图为上海航天研制团队正在对嫦娥四号做测试试验。 图片来源:张阳/摄(下同)

    12月8日2时23分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器,开启了月球探测的新旅程。带着对月亮的美好憧憬,探索这个距离地球40万公里的地外天体,不断向深空探索,是中国航天人矢志不渝的梦想。今天凌晨12月8日2时23分,长征三号乙运载火箭成功将嫦娥四号探测器送入地月转移轨道,踏上了人类首次月球背面着陆探测的旅程。

    嫦娥四号探测器包括两器一星,即月球软着陆探测器(着陆器)、月面巡视探测器(巡视器)、“鹊桥”中继卫星。通过实施嫦娥四号任务,我国将实现两个“第一次”:第一次实现人类探测器月球背面软着陆;第一次实现人类航天器在地月L2点对地对月中继通信。同时,嫦娥四号有望获得一批重大的原创性科学研究成果,并将为深空探测领域军民融合、创新发展积累重要经验。

    “备份星”出生5年使命不凡

    嫦娥四号最初是作为嫦娥三号任务的备份星,两者可谓是同时出生的“双胞胎”。然而,今天奔向月球背面的嫦娥四号,绝不是嫦娥三号的复制品,其“五脏六腑”都已“脱胎换骨”,从某种意义上说是一次真正意义上的“首飞”。

    当嫦娥三号探测器完成落月任务后,其备份嫦娥四号没有再面临是否发射的问题,但在任务规划上仍有分歧。不少人认为,嫦娥四号无需冒险,还应落在月球正面。嫦娥系列各型号总指挥、总设计师顾问叶培建却认为,中国探月工程应该走一步跨一步。落到月球背面去,这是一个创举。在他和部分航天专家的坚持下,才有了如今的嫦娥四号任务。探访月球背面,将推动月球天文观测科学研究的不断深入。月球背面没有无线电波的干扰,是进行天文观测的最佳场所,如果能利用这一自然地形架设无线电望远镜,就好像把“天文台”搬到了月球背面。同时,月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源,科学家估计月球背面的月海中,可能会有比正面浓度更高的核聚变材料氦-3。

    作为备份星,产品贮存时间长,是团队在研制嫦娥四号时没法绕开的问题。中国航天科技集团有限公司八院嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花介绍,研制团队将电源分系统等产品经过验证后使用,而移动机构、桅杆机构、太阳翼基板等产品几乎与嫦娥三号同步生产,到今天已经整整过去5年,超出了原有贮存期。

    到底是沿用原来的产品,还是重新投产,团队决定用数据说话。先前并没有基板复合材料地面贮存这么长时间的先例,如何验证,一开始就让大家一头雾水,但团队从贮存环境、机理分析、同状态类似地面贮存产品试验验证等方面着手,结合嫦娥四号本身产品的热试验、力学试验、展开试验等性能测试、验证,确认已投产的嫦娥四号太阳翼基板经过地面贮存5年,其性能能够满足嫦娥四号任务需要,可以直接沿用。最终,按照机构产品重新研制确保产品性能可靠;结构产品经复测性能符合要求继续使用并按要求进行环境试验的方式,最大程度的兼顾了研制进度和产品质量。

    嫦娥四号巡视器总装工人赵杰介绍说,如果要用新投的单机,需要先把原有的结构件拆分,把新投的结构件或者固定润滑的零件重新再装配,再后续把所有这些实验重新补做一遍,整个周期非常长,来不得半点马虎。近百项复查、测试工作一项都不能少,一刻都不能松懈。有时,往往一次专项测试就要完成近百种情况的试验,白天黑夜连续近40多个小时不间断。

    着陆地凹凸不平“巴掌大”

    嫦娥三号着陆区是月球正面的虹湾。那里布满了月海玄武岩,地势较为开阔、平坦,位于大型撞击坑、月海、高地(山脉)交汇地区,有利于科学勘察目标的选择,也有利于与地球的通信联系。而嫦娥四号的主着陆区为月球背面靠近南极一个叫冯·卡门撞击坑的地方,这里着陆区面积比虹湾地区小了许多,因为月球背面山峰林立,大坑套小坑,很难找出再大一些、平坦一些的地方,供嫦娥四号安身,因此,嫦娥四号着陆器在凸凹不平“巴掌大”的地方着陆,难度非常大。

    “艾特肯盆地的地形比较崎岖,撞击坑大而且分布密集,这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了很高的要求。”张玉花介绍说,嫦娥三号月球正面着陆区地形起伏仅800米,而嫦娥四号月球背面着陆区地形起伏达到了6000米,简单说来,嫦娥三号落的是平原,嫦娥四号去的是山区,落的地方还可能有阴影或山形遮挡。“我们就希望巡视器能自主地能够走出测控或太阳的遮挡区,走到测控能够通信,或者阳光能够发电的地方。”

    因为地形复杂,月球背面长期受到陨石的冲击,巡视器行进过程中可能面对更多挑战。为此八院团队在嫦娥三号的基础上对巡视器移动能力进行了进一步加强,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。

    “嫦娥三号巡视器在研制时考虑月尘比较多,实际着陆后发现月面石头还是不少。这次在月球背面,着陆地崎岖不平,石头可能更多更大,我们大概做了12项可靠性试验,比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逐一测试,并形成了应对方案。”上海航天空间飞行器机构项目办副主任郑云青介绍说。

    休眠唤醒保存“体力”过月夜

    嫦娥四号发射成功后,探测器将进入地月转移轨道,随后,探测器经过在轨飞行、轨道修正、近月制动、变轨等,最终着陆月面,择机释放巡视器。

    抵达月球后,嫦娥四号如何活动?一个月夜相当于地球上14天。同时,月夜最低温度可达到零下180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,研制人员提出了休眠唤醒的概念。当太阳缓慢地升起时,着陆器和巡视器将开始忙碌的十四天工作——着陆器在原地实施科学探测,巡视器则“东奔西走”开始探测。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。一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。

    “嫦娥四号采用了目前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%。”八院探月工程太阳电池电路负责人陈城介绍道。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,其可靠性也已经过多个型号的在轨及地面考核验证。“新电池降低了太阳电池片的厚度,为太阳电池‘减重’了10%。”

    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的污染等问题。“比如,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进行充分的地面力学分析和验证,并结合月面散落的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。”据悉,在整个任务过程中,八院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、月夜转月昼七种工作模式,以应对不同工作环境、适应不同工作状态的要求。

    “鹊桥”等来“嫦娥”诉衷肠

    尽管有嫦娥一号到三号探月飞行器的成功经验,但这次嫦娥四号是首次登陆月球背面,如何给飞临月球背面的飞行器发出指令,遥控它准确着陆在预定位置,并且顺利接收传回的图像数据,是个不小的技术挑战。

    地球上无法直接看到月球背面,也就无法和月球背面直接通信。嫦娥四号探测器在月球背面着陆后,双方需要一位“话务员”,把嫦娥四号探测到的信息,通过“话务员”传递到地球上。而这个“话务员”现在已经到位。今年5月21日5时28分,嫦娥四号中继星“鹊桥”已搭乘长征四号丙运载火箭升空。卫星由火箭送入近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道。鹊桥号的主要使命就是在月球背面和地球之间“传话”,提供中继通信。

    有了鹊桥,天地对话成为可能,但地球与巡视器间的通讯时延大大增长。不同于嫦娥三号任务时科研人员可以在监控屏前实时观察到巡视器对指令的执行状况,此次从指令发出到行动图像传回至少有数分钟的延迟,对于巡视器的移动和机构活动有较明显的影响。为此,设计人员计算并设定了巡视器每项行动的最大耗时,连同每次行动指令一同发送,同时赋予巡视器一定的自主功能,以便有效应对可能的突发状况。

    与嫦娥三号巡视器相比,嫦娥四号巡视器测控数传分系统不仅要承担与着陆器的数据通信的功能,还要与中继星进行遥测和数据传输。“测控数传分系统有5种工作模式,我们在设计中充分考虑了冗余设计,使得各设备形成热备份。大大提高了系统的可靠性。”八院测控分系统负责人汪莹介绍。

    “我们常常会把测控分系统比喻成放风筝的线,航天器就像风筝一样。嫦娥三号的巡视器、着陆器都在月球的正面,在我们看得见的地方。这一次它到背面去以后,放风筝的线不能拐了,必须要有一个中转站,就是中继星‘鹊桥’。如果地面站要发指令先发给中继星,中继星通过我们的测控数传分系统来接收指令,分系统再发给其他部分,比如发给驱动,让巡视器往前走;比如将来拍国旗,也是由数传分系统先发给中继星,然后再发给地面站。”嫦娥四号数传分系统单机主管师黄波说。

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