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解密嫦娥四号科学载荷:这些宝贝都有哪些神通?

“嫦娥”揣的那些宝

2018年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。

嫦娥四号探测器经历地月转移、近月制动、环月飞行,最终于1月3日10时26分,成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区,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,揭开了古老月背的神秘面纱。

此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信,开启了人类月球探测新篇章。

嫦娥四号共搭载了9台科学载荷,包括低频射电频谱仪、中性粒子辐射剂量探测仪、中性原子探测仪、低频射电探测仪、降落相机、全景相机、地形地貌相机、测月雷达、红外成像光谱仪。

下面就让我们看看“嫦娥”的这些宝贝都有哪些神通。

嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的“玉兔二号”巡视器走上月面影像图 图片来源:国家航天局

“四妹”“三姐”的异与同

■ 本报记者 甘晓

作为嫦娥三号的备份,按照最初的设计,嫦娥四号和嫦娥三号应该是一对双胞胎姐妹。

在嫦娥三号探月的任务成功后,在科学家们的坚持下,嫦娥四号也有了新任务――去从来没有人去过的月球背面。

当然,科学家们根据这一目标改进了嫦娥四号。这次,“四姐”和“三姐”有哪些相同和不同呢?

日前,中国科学院国家空间科学中心副主任、中科院月球与深空探测总体部主任邹永廖告诉《中国科学报》,在采用嫦娥三号平台的基础上,嫦娥四号根据科学目标作了一些调整,分别取消、新研制和继承了多台载荷。

取消:月基光学望远镜、极紫外相机

观天、看地和测月,是嫦娥三号的科学目标。在“观天”方面,嫦娥三号采用了一台月基光学望远镜,实现了在月球上仰望星空。

2016年,科学家利用月基光学望远镜观测到由物质交流而成的半相接双星,对研究双星系统的物理特性提供了重要证据。

邹永廖介绍,这台月基光学望远镜目前仍然在工作,因此嫦娥四号没有再搭载月基光学望远镜。

在“看地”方面,嫦娥三号采用了极紫外相机,实现了首次在月球上对地球的大视野定点观测,发现地球等离子层形状类似“多纳圈”。

科学家们还利用一次磁层亚暴期间的数据,发现了等离子体层存在的3个明显的凸起结构,相当于“多纳圈”在某些部位变胖了。

“嫦娥四号在月球背面着陆并开展探测,因此对地球观测的极紫外相机也取消了。”邹永廖表示。

新研制:低频射电频谱仪

针对嫦娥四号月基低频射电天文观测研究的科学目标,科学家为嫦娥四号新研制了低频射电频谱仪。

邹永廖介绍,这是一台我国自主研制的科学载荷,将安装在着陆器上,利用月球背面没有地球电磁波干扰、天然“洁净”的环境,在月昼期间对太阳低频射电特征进行探测,对月表低频辐射环境进行探测,研究太阳爆发、着陆区上空的月球空间环境。

国际合作:中性粒子辐射剂量探测仪、中性原子探测仪、低频射电探测仪

针对月基低频射电天文观测研究和月面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究的科学目标,还搭载了低频射电探测仪、中性粒子辐射剂量探测仪、中性原子探测仪等3台载荷。

“这3台载荷都是通过国际合作研制的,分别与荷兰、德国和瑞典合作。”邹永廖指出。

其中,搭载在中继星上的低频射电探测仪,与安装在着陆器上的低频射电频谱仪属同类型科学载荷,科学家们将对二者获取的探测数据开展联合研究。

此外,该载荷也可以对来自太阳系行星的低频射电场进行观测,并“聆听”来自宇宙更深处的“声音”。

月球车上携带的中性原子探测仪,则对解决太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题有着重要意义。

而安装在着陆器上的中性粒子辐射剂量探测仪,能探测着陆区的辐射剂量,有助于科学家们对月表辐射环境进行评估,提供相应辐射防护的依据。

近年来,我国探月工程取得的成就引起了全世界科学家的关注。

随着探月工程的不断推进,我国的探月工程特别是科学研究成果越来越受到国际同行的高度关注和认可。“在许多国际高层次的学术研讨会上,与中国探月工程相关的学术报告引起了很大的反响。”邹永廖表示。

继承:降落相机、全景相机、地形地貌相机、测月雷达、红外成像光谱仪

嫦娥四号搭载了和嫦娥三号一样的5台载荷,即降落相机、全景相机、地形地貌相机、测月雷达、红外成像光谱仪。

其中,降落相机在降落过程中对整个着陆区地形地貌进行连续拍摄,全景相机和地形地貌相机则主要对着陆区周边地形地貌进行拍摄。

测月雷达旨在对巡视路线上月球表层进行探测。嫦娥三号就依靠测月雷达开展了“边走边探”的工作,完成了首幅月球地质剖面图,揭示了嫦娥三号着陆区的地质结构和地质演化过程,并发现了一种新的岩石类型。

据邹永廖介绍,根据巡视就位探测研究,中国科学家发现在探测区域曾经发生了至少3次玄武岩喷发事件。“基于这些发现,中国科学家提出了这一区域火山作用历史的新理论模型。”他说。

此外,红外光成像谱仪搭载在月球车上,主要获取矿物和化学元素数据。

“我们期待,嫦娥四号各探测器工作的时间越长越好,获取的科学数据越多越好。”邹永廖表示。

中―荷低频射电探测仪:

打开射电天文最后一扇窗

■ 本报记者 丁佳

然而,就像一枚硬币总有正反两面,来自地球以外的中波和短波波段的电磁辐射也无法透过地球的电离层到达地面。

“地球电离层在保护生物圈和为人类提供通信便利的同时,也关闭了这个波段天文观测的窗口。”中国科学院国家天文台研究员平劲松说。

因此,为了打开最后一扇还未被实质探测过的射电天文频谱窗户,来自包括中国和荷兰在内的射电天文学家,自上世纪90年代就在论证突破这一限制,探索到外太空开展低频射电天文观测的可能途径。

“实际上,除了躲开地球电离层的屏蔽,我们还需要躲开来自人造卫星的低频无线电辐射噪声,并进一步通过月球的遮挡躲开来自太阳的辐射。”平劲松说,这样,科学家才有机会更好地在这个波段看见来自太阳系以外天体的低频射电辐射,逐步解决一些重大的科学问题。

因此,嫦娥四号月球着陆探测为科学家提供了在月球背面和月球空间开展低频射电天文研究的绝佳起步机会。

在此次任务中,中国与荷兰联合团队选择了在月球空间的地月拉格朗日平动点L2区域借助鹊桥通信卫星的平台,远离来自地球空间的干扰,采用3个5米长的相互垂直的线状天线,组合起来可以在0.1~65MHz这一很大的频率范围开展低频射电天文观测。

这台名为中―荷低频射电探测仪的载荷是一个类似“探路者”的计划,它将探索月球背面和月球轨道空间低频射电背景辐射环境发布特征和变化规律,填补国际空白。

利用这个载荷,科学家有望在行星际激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性的成果,并对地球的千米波辐射爆发进行连续监测。

这些监测结果也将对其他恒星系统的行星射电辐射观测提供帮助。

2015年10月,中荷双方签署了探索与和平利用外层空间备忘录,为促成此次合作扫平了政策上的阻力和障碍。

在这一框架下,低频射电合作项目被两国航天局纳入嫦娥四号月球探测工程。

经过合作团队两年多艰苦卓绝的努力,最终研制成功的载荷飞行正样件终于顺利交付给中方与卫星集成测试,并随嫦娥四号发射升空。

平劲松说,荷兰团队在研制工作的最后几个月,也习惯了“5+2”“白加黑”的中国航天业务工作模式,令中方十分感动。

“射电天文学最后的一扇窗户已经在打开,我们期待在后续载荷加电开机之后,能取得满意的科学与技术成果,期待这一合作可以走得更久远,把丝绸之路铺到地月空间,延伸到遥远的深空。”平劲松说。

中―德月表中子与辐射剂量探测仪:

为登月架起保护伞

■ 本报记者 倪思洁

国际合作是此次嫦娥四号的亮点之一。嫦娥四号共搭载了9台科学载荷,其中有3台是国际载荷。

这3台国际载荷中,一个名叫“月表中子与辐射剂量探测仪”(LND)的载荷由中国科学院国家空间科学中心和德国基尔大学联合完成。

“这台仪器将能够探测着陆区的辐射剂量,为未来载人登月的危险度进行前期评估,提供相应辐射防护的依据。” LND中方首席专家、中科院国家空间科学中心研究员张�|毅在接受《中国科学报》采访时说。

“高能预警”:评估月球表面的辐射有多强

日常生活中,太阳光太强烈的时候,很多爱美的姑娘会戴上遮阳帽或撑起遮阳伞,防止皮肤被紫外线晒伤。紫外线就是地球上一种最常见的光辐射。

不过,相较于宇宙中的高能粒子辐射,紫外线已经算是相当“温和”了。

亘古以来,地球上包括人类在内的生物,被两层“保护伞”保护着,一层是地球磁场,另一层是地球大气层。

“大部分宇宙高能粒子在磁层中被偏转、束缚,即便粒子逃脱了磁层的束缚,还要面临大气层的抵挡,这些粒子打到大气层上,会被减速,并被分裂成更小的粒子。”张�|毅说。

不过,月球上的辐射环境可没有地球上这么让人有安全感,宇宙中的高能粒子时刻都会对人体或仪器设备造成伤害。

“月球上没有地球的两层‘保护伞’,深空中的太阳宇宙线会直接打到月球表面。如果将来我们的航空器或航天员登陆月球,必然会遭受高能粒子带来的辐射损伤。”张�|毅说。

要避免这些伤害,就要知己知彼,未雨绸缪,然而目前国际上关于月球辐射情况的有效数据几乎是空白。

张�|毅告诉记者,过去四五十年里,国际上对月球的关注度一直不高,尽管近年来美国等航天大国重拾了探索月球的“兴趣”,有效的月表辐射数据仍然匮乏。

这次,中德联合研制的“月表中子与辐射剂量探测仪”,主要目的正是评估月球表面的辐射危害。

“这将是近几十年国际上第一次对月表辐射剂量进行测量,我们获得的第一手月表粒子辐射测量数据对国家探月工程来说将是非常宝贵的数据资源。”张�|毅说。

“一举多得”:研究太阳风暴寻找月球资源

登月一次不容易,为了充分利用搭载机会,这个载荷还具备了其他本领。

在评估辐射危害的同时,月表中子与辐射剂量探测仪的另一个主要目标是对太阳风暴的具体情况开展科学研究。

太阳风暴是太阳上的剧烈爆发活动及其在日地空间引发的一系列强烈扰动,对人类的卫星、无线电通信和地面技术系统都会造成影响,因此也是科学家一直努力研究的对象。

“月球摆脱了地球磁场的影响,能够更直接地探测到来自太阳的粒子信息,是研究太阳风暴的重要地点之一。在月球上,我们可以直接探测到太阳高能粒子的能谱及其随时间变化的特性,研究太阳风暴的起因,高能粒子传播规律等。”张�|毅说。

除了评估辐射危害和开展太阳风暴相关研究,科研人员还为这台仪器设计了两个附加目标――在月球上寻找水冰和铁矿。

美国宇航局1998年和2009年分别发射了“月球探测器”和“月球勘探轨道器”,曾经对月球水冰含量进行过探测,但是两者在水冰含量的数值结果上有出入。

“这次,我们可以在一个具体着陆点上观测获得更加精确的数据。”张�|毅说。同时, “我们还希望能够在南极艾托肯盆地着陆点位置探测氧化铁的含量有多少”。张�|毅说。

“同甘共苦”:反复磨合对接理解文化差异

2015年,张�|毅接到了一封来自德国基尔大学Robert Wimmer-Schweingruber教授的邮件。

信中,Schweingruber表示希望能够与中科院国家空间科学中心合作,一起完成月表中子与辐射剂量探测仪的项目遴选和研制工作。

张�|毅及其团队长期致力于空间环境粒子辐射测量工作,也积攒了一定的工程经验和技术基础。经过中德双方的多次讨论,合作意向很快达成了。

根据技术合作协议,作为中德合作完成的国际载荷,月表中子与辐射剂量探测仪的工程硬件研制工作由德方完成,中方负责接口协调、阶段性评审考核、交付后测试、标定试验等对接协调工作。

“中国和德国的航天工程操作流程有很大的区别,中国航天有明确且严格的规范,比方说,仅仅是环境试验,我们的要求量就是德国的三四倍。”中科院国家空间科学中心高级工程师袁斌告诉《中国科学报》。

为了保证硬件指标符合我国航天要求,在合作过程中,双方一直在反复磨合。

“严格管理一直是中国航天高成功率的保障,而我们起到的就是解释沟通和润滑作用。”张�|毅说。

“鹊桥”传影如何实现

解密月背第一道痕迹影像图

■ 本报记者 甘晓

1月3日晚,嫦娥四号探测器成功落月后顺利完成着陆器与巡视器分离。

玉兔二号巡视器驶抵月球表面。着陆器上监视相机拍摄的玉兔二号在月背留下第一道痕迹的影像图。这波操作都和“鹊桥”中继星的功劳分不开。

那么,“鹊桥”是如何做到的呢?

去年5月21日,“鹊桥”中继星成功发射,6月14日成功实施轨道捕获控制,进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点的“Halo使命轨道”。

航天科技集团有限公司五院“鹊桥”中继星主任设计师孙骥表示:“中继星距离地球接近50万公里,要在这么远的尺度上,实现对地球的测控通信,对设计天线提出了很高的要求。”为此,科学家们设计了长度达到4.2米的伞状天线。

孙骥介绍,这把“伞”有18根合金制成的“龙骨”,“伞布”是用金属钼丝编织而成的网。

“这张网在太空中面临一个问题。当太阳照射的时候,它的表面温度不到100摄氏度,而没有太阳照射时温度可能低至负100多摄氏度。极大的温差会导致这张网变‘皱’,从而影响天线指标。”他说。

为此,科学家们在地面开展了多项实验,最终成功解决了这个问题。

1月3日15时07分,科技人员在北京航天飞行控制中心通过“鹊桥”中继星向嫦娥四号探测器发送指令,两器分离开始。

北京航天飞行控制中心飞控大厅屏幕显示,嫦娥四号着陆器矗立月面,太阳翼呈展开状态。巡视器立于着陆器顶部,展开太阳翼,伸出桅杆。随后,巡视器开始向转移机构缓慢移动。

转移机构正常解锁,在着陆器与月面之间搭起一架斜梯,巡视器沿着斜梯缓缓走向月面。 22时22分,巡视器踏上月球表面。

同时,在通信体制上,“鹊桥”中继星采用了“再生转发”体制,这有别于一般中继通信的“透明转发”。

“透明转发指的是收到什么数据就发出什么数据。而再生转发则是在收到探测器和着陆器这‘两器’的数据后,必须按照一定规则对这些数据进行处理和打包后再转发。”孙骥表示,“这对卫星设计提出了较高要求。”

国防科工局探月与航天工程中心副主任于国斌介绍,相比嫦娥三号,嫦娥四号将实现多个创新点,包括首次实现月球背面着陆巡视探测、首次实现地月中继通信、首次开展甚低频射电探测等。

自2016年1月嫦娥四号正式立项以来,科学家们在不到3年时间里,围绕首次着陆月球背面的诸多挑战,取得了多项高科技成果,助力此次任务顺利展开。

《中国科学报》 (2019-01-08 第3版 聚焦)

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