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中国探月工程嫦娥四号探测器成功发射
发布时间:[ 2018-12-17 11:34 ] 文章来源:< 综合 > 浏览量: 3089

    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。
    嫦娥四号将经历地月转移、近月制动、环月飞行,最终实现人类首次月球背面软着陆,开展月球背面就位探测及巡视探测,并通过已在使命轨道运行的“鹊桥”中继星,实现月球背面与地球之间的中继通信。
    嫦娥四号任务的工程目标,一是研制发射月球中继通信卫星,实现国际首次地月拉格朗日L2点的测控及中继通信;二是研制发射月球着陆器和巡视器,实现国际首次月球背面软着陆和巡视探测。
    嫦娥四号的科学任务主要是开展月球背面低频射电天文观测与研究;开展月球背面巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构探测与研究;试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。
    为增进国际交流与合作,扩大开放共享,嫦娥四号任务中,与荷兰、德国、瑞典、沙特开展了4项科学载荷方面的国际合作,搭载了3项由哈尔滨工业大学、中山大学、重庆大学等国内高校研制的科学技术试验项目。
    嫦娥四号任务于2016年1月经国务院批准正式实施,包括中继星和探测器两次任务。“鹊桥”中继星于2018年5月21日在西昌卫星发射中心由长征四号丙遥二十七运载火箭成功发射,进入环地月拉格朗日L2点使命轨道,目前状态正常。
    探月工程重大专项由国防科工局牵头组织实施。嫦娥四号任务由工程总体及探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。其中,工程总体由国防科工局探月与航天工程中心承担;中继星、探测器、运载火箭分别由中国航天科技集团有限公司中国空间技术研究院、中国运载火箭技术研究院、上海航天技术研究院研制生产;发射和测控任务由中国卫星发射测控系统部负责;地面应用系统由中国科学院国家天文台承担,有效载荷由中国科学院和中国航天科技集团有限公司相关单位研制。此次发射任务是长征系列运载火箭的第294次发射。
    一、神秘的月球背面
    千百年来,月亮一直是人类心中的梦想之境。思乡的情怀、探索的欲望,都交织在一汪皎洁的白月光中。由于月球自转周期和公转周期相等,加上被地球潮汐锁定,地球强大的引力让月球总是一面朝向地球,所以人类在地球上只能凭肉眼看见月球的正面,背面则看不见。因此月球背面对于人类而言,更是“秘境中的秘境”,有许多未知等待着解答。
    人类在地球始终无法看到月球的背面,虽然此前已经发射了100多个月球探测器,其中还包括65个月球着陆器,但仅有不载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗号曾看到过月球背面。从上世纪50年代开始,发射到月球的探测器和轨道器已经有100多个。但是从着陆器探测来说,月球背面一次都没有。嫦娥四号首次在月球背面着陆和就位巡视,这是创造历史的重大成就。
    此次嫦娥四号着巡组合体着陆区,位于月球背面的艾特肯盆地。据介绍,月球分为三大地体,即克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾特肯盆地地体。前两个地体都已经被巡视探测过,只有艾特肯盆地地体没有被近距离巡视探测,在科学上会有很多新发现。而且月球背面的岩石更加古老,如果能够获取更古老的岩石类型等物质成分信息,对我们了解月球的化学成分演化过程有很大帮助。
    专家表示,艾特肯盆地是目前发现的太阳系固体天体中最大最深的盆地,直径大约2500公里,深度约12公里。其90%的面积都分布在月球背面,只有一小部分在月球正面,具有很高的科研价值。
    一般认为艾特肯盆地有可能是当时宇宙大爆炸或者后来小天体撞击形成的,隐含着宇宙最早的一些信息。而且这个盆地的深度有12公里,有助于我们获取月球深部物质的信息。据介绍,嫦娥四号对月球背面地形地貌、矿物组分、巡视区浅层结构、地幔物质等进行科学探测与研究,将为月球资源的开发利用提供极具价值的第一手资料。
    更让科学家们感兴趣的是,月球背面独特的电磁场环境和地质特征,非常适合开展低频射电探测等空间天文学研究和月球物质成分探测等科学研究。由于屏蔽作用,在地面上无法开展低频射电的观测。而月球背面的磁环境非常干净,到月球背面开展低频射电天文观测,这一目标应该说是天文学家梦寐以求的,可以填补射电天文领域在低频观测段的空白。
    二、嫦娥四号的主要任务
  2016年1月,嫦娥四号任务经国务院批准正式实施,包括中继星和探测器两次任务。为了实现着陆在月球背面的探测器与地球的测控通信和数据传输,我国于2018年5月21日在西昌卫星发射中心发射了“鹊桥”中继星,搭建起地月信息联通的“天桥”。目前,“鹊桥”中继星进入环地月拉格朗日L2点使命轨道,状态正常。
    据了解,嫦娥四号任务的工程目标,一是研制发射月球中继通信卫星,实现国际首次地月拉格朗日L2点的测控及中继通信;二是研制发射月球着陆器和巡视器,实现国际首次月球背面软着陆和巡视探测。
  在科学任务方面,嫦娥四号主要是开展月球背面低频射电天文观测与研究;开展月球背面巡视区形貌、矿物组分及月表浅层结构探测与研究;试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。
   在嫦娥四号发射成功之际,中国的探月之路值得盘点。探月工程也叫嫦娥工程,是我国航天继人造地球卫星和载人航天之后的第三个里程碑,是国家重大科技专项的标志性工程。计划在2020年前按“绕、落、回”的发展思路分3期组织实施,实现探月工程既定目标。
  ——探月工程一期(2004年—2009年):2004年1月23日,国务院批准了国防科工委、财政部《关于绕月探测工程立项的请示》,标志着月球探测工程一期——绕月探测工程正式立项,从而开启了探月工程的光荣征程。
  ——探月工程二期(2008年—2014年):2008年2月15日,国务院批准探月工程二期立项。主要目标是实现在月面软着陆,开展月面就位探测与自动巡视勘察。
  ——探月工程三期(2011年至今):2011年1月7日,国务院批准探月工程三期立项,标志着探月工程“绕、落、回”三步走最后一步正式启动。三期工程拟实施两次采样返回任务,分别命名为嫦娥五号和嫦娥六号任务,将首次采用无人月球轨道交会对接方式实现月面自主采样返回。为降低工程风险,探月三期决定实施一次再入返回飞行试验。再入返回飞行试验验证了地月空间往返一系列关键技术任务。
    从探月工程一期至今,截至嫦娥四号任务前,我国共进行了4次发射,都取得了丰硕的成果。
  三、嫦娥四号与嫦娥三号的不同之处
    此次发射的嫦娥四号原本是嫦娥三号的备份。在嫦娥三号圆满完成任务后,嫦娥四号被赋予了新的担当——实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。科研人员通过精心设计与研制,使嫦娥四号“脱胎换骨”,成为与嫦娥三号不同的全新航天器。备份变首飞,嫦娥四号与嫦娥三号相比共有五大不同之处。
    ——科学目标不同。
    嫦娥三号任务的科学目标是“测月、巡天、观地”,即开展月球形貌与地质构造调查,开展月表物质成分和可利用资源调查,进行月球内部的结构研究和日-地-月空间环境探测与月基天文观测。
    而嫦娥四号任务的科学目标都是在月球背面完成的,包括实现月基低频射电天文观测,月球背面巡视区形貌、月球背面巡视区浅层结构探测等。因为没有别的探测器到过月球背面,所以不论是探地形还是探月壤成分,应该都是人类第一次获得的一手数据。
    ——工程目标不同。
    实施重大航天实践推动工程的进步,是中国航天跨越发展的重要途径和经验,月球探测工程更是如此。嫦娥三号任务的工程目标有三个:突破月面软着陆、月面巡视勘察;研制月面软着陆探测器和巡视探测器,建立地面深空站;建立月球探测航天工程基本体系,形成重大项目实施的科学有效的工程方法。嫦娥三号任务圆满成功,为我国航天事业发展树立了新的里程碑,在人类攀登科技高峰征程中刷新了中国高度。
    站在这样的起点上,嫦娥四号向着更高峰迈进,将任务的工程目标锁定在两个“首次”:人类首次实现月球背面软着陆和巡视勘察;首次实现地月L2点中继星对地对月的测控、数据传输中继。
    ——有效载荷不同。
    嫦娥四号与嫦娥三号的身形和“骨架”相同,携带的装备却大为不同。
    嫦娥三号携带的有效载荷大致可以分为三类:第一类是用来观察月球的,主要设备包括全景相机、地形地貌相机、测月雷达等;第二类是用来观测宇宙的,主要由月基光学望远镜承担;第三类是用来观察地球周围的等离子层的,各有各的用处,相互配合。
    嫦娥四号即将降落的月球背面,对于不少科学研究来说具有天然的优势。月背非常“干净”,可屏蔽地球无线电干扰。根据着陆区域和科学目标的变化,科研人员对嫦娥四号携带的科学载荷做了很大的调整,把8台有效载荷带往月球背面冯·卡门撞击坑。
    ——着陆环境不同。
    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,当然也有利于与地球的通信联系。
    据介绍,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。嫦娥四号着陆器在凸凹不平的地方软着陆,需要具有比嫦娥三号更准确地着陆精度。
    ——通信方式不同。
    不论人类的探测器飞到多远,都需要深空测控通信系统作为联络的“纽带”。由于深空任务周期长、通信时延大、信号微弱等原因,使深空测控通信实现起来更为困难,无论对星上设备还是对地面设备等都带来了新挑战。对于落在月球背面、没有任何通信信号的嫦娥四号来说,通信显得难上加难。它无法向嫦娥三号那样直接和地球上的“亲人们”取得联系,“飞鸽传书”的任务就落到“鹊桥”中继卫星的肩上。通过早先发射并成功架设在地月拉格朗日L2点的中继卫星,实施与地面的通信信号“接力”,嫦娥四号才得以与地球保持联络。
    除了以上五大不同,研制队伍聚焦新情况,从轨道设计、动力下降策略、休眠唤醒策略等方面进行了系统设计,突破一系列关键技术,同时制定了符合任务特征的故障预案,全力铸就嫦娥四号非凡之旅。
    四、“嫦娥家族”的主要成员
    人类探月已有60多年历史,但截至目前,还没有任何一个航天器在月球背面着陆。嫦娥四号探测器将实现人类首次月球背面着陆探测。在嫦娥四号发射成功之际,中国的探月工程之路值得盘点。
    早在上世纪90年代,中国科技工作者就进行了探月活动必要性和可行性研究,完成了探月卫星的技术方案研究和关键技术研究,之后在深化论证工作基础上,制定了中国探月工程“绕”“落”“回”三步走方案,
    2004年,中国正式开展月球探测工程,并命名为“嫦娥工程”。现在,我们就来盘点一下“嫦娥家族”的主要成员:
    嫦娥一号
    嫦娥一号是中国嫦娥工程家族里的老大,中国探月计划的排头兵。它于2007年发射,飞行在距离月面200千米的极轨轨道上,开展了综合性科学探测16个月并且取得了海量的科学探测数据。它在2009年结束使命,受控撞击在月面的丰富海,实现了月面硬着陆,开启了中国人探月的新时代。
    嫦娥一号首次绕月探测圆满成功,实现了一大批具有自主知识产权的核心技术和关键技术重大突破,使中国成为世界上为数不多的具有深空探测能力的国家,实现了多个中国航天史及航天器的“第一”:第一次研制并成功发射中国首颗绕月探测卫星;第一次实现了绕月飞行和科学探测;第一次形成了深空探测任务的总体设计思路和研制流程。这些都充分体现出中国综合国力显著增强,自主创新能力和科技水平不断提高。
    嫦娥二号
    2010年10月1日,嫦娥二号成功发射并进入距离月面100千米的极轨轨道上运行。它完成了高清全月面图像扫描,分辨率达到7米,是目前最高水平的全月球数字影像图。在完成探月任务之后,嫦娥二号还进行了一些其它的观测活动。它到达日-地引力平衡的拉格朗日点L2,持续探测太阳的活动和爆发235天,积累了系统而丰富的太阳活动资料。相继在飞抵距地球702万千米处,它与图塔蒂斯小行星交会,两者距离仅仅只有870米,首次测定了图塔蒂斯小行星的表面形貌、大小尺寸、运行参数等。
    目前,“嫦娥二号”成为唯一围绕太阳运行的人造小天体,已飞行大约4亿千米。根据运行轨道计算,2029年嫦娥二号将回归地球附近。
    嫦娥三号
    嫦娥三号是嫦娥四号的双胞胎姐姐,“两人”一同承担“落月探测”的任务。2013年12月2日,嫦娥三号在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭送入太空,当月14日成功软着陆于月球正面雨海西北部,15日完成着陆器和巡视器月球车“玉兔”分离,并携手开展了“观天、看地、测月”的科学探测和其他预定任务。
    2015年10月5日,经国际天文联合会审查批准,标记中国嫦娥三号月球探测器首次在月球上的雨海虹湾地区实现软着陆位置正式命名为“广寒宫”,以此纪念中国古代神话故事中“嫦娥和玉兔在月亮上的宫殿”。广寒宫在月球上的中心坐标为北纬44.12°、西经19.51°。
    月基望远镜
    嫦娥三号着陆器上装配了一台近紫外天文望远镜。在嫦娥三号月球探测器落月之前,人类从来没有在月球上架起望远镜进行天文观测。因为没有大气,所以月球为天文学家提供了一个极好的观测环境。这个月基望远镜发现了一批新的脉动变星,确定了它们的光变周期与光变幅度;获取了一批星座不同天区近紫外波段的真实星空图像和目标天体的天球坐标等。
    中继“鹊桥”
    今年5月21日,嫦娥四号的中继星“鹊桥”率先发射升空,目前已经抵达地球-月球引力平衡的拉格朗日L2点,它将搭建一座月球背面和地球之间的桥梁,实施地球与月球背面的通讯联系和月球背面的测控任务,配合未来软着陆在月球背面的嫦娥四号着陆器和月球车开展联合科学探测。
    之所以将“鹊桥”安放在距离月球背面约6.8万千米的L2点,因为这是一个相对稳定的引力动态平衡点,在那里,它可以永远直接面对月球背面,同时也能“看到”地球并与地球实时直接通讯联系。
    月球之外
    今年年底,中国将实施嫦娥四号的着陆器与月球车在月球背面的软着陆,首次进行月球背面的联合科学探测。而在2019年,嫦娥五号将计划月面的软着陆,铲取和钻孔岩心取样并返回地面,开展全面、系统实验室分析测试,希望获取一系列创新性科学研究成果。2020年希望能够实施首次火星轨道器遥感探测与火星车巡视探测的联合探测。在2021年后,中国计划将实施近地小行星与小行星带的小行星探测并取样返回;火星取样返回;木星及其卫星的科学探测和太阳系行星际穿越探测。
    展望未来,我们正在按照自己的计划逐步实施既定的空间探测项目,我们要飞得更远,我们也有能力飞得更远。(白林)