嫦娥四號著陸月球 十大看點告訴你到底有多牛!
2019年01月03日12:52

  2018年12月8日2時23分,中國嫦娥四號探測器從西昌衛星發射中心成功起飛,開始踏上奔向月球的旅程!

  根據新華社消息,2019年1月3日10時26分,嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮•卡門撞擊坑內,實現人類探測器首次在月球背面軟著陸。

發射成功現場(圖源:我們的太空微博)
發射成功現場(圖源:我們的太空微博)

  它對中國探月、乃至整個人類探月,到底有多大意義?本文十大看點為你全方位解讀。

  看點一:為什麼選擇探測月球背後?

  地球上每天都有無數人舉頭望明月,對著它發出各式各樣的感慨。但極少有人意識到,從他們第一次看到月亮至今,除了月亮“形狀”(月相)的變化,月球表面的“圖案”其實從來沒變過,甚至最早人類遠祖古猿看到的月亮和今人並無區別。

動圖:NASA的深空天氣探測衛星在150萬千米外日地拉格朗日點“定點”觀察而來的月球掠過地球,可以明顯看到月球只有一面對著地球(圖源:NASA)
動圖:NASA的深空天氣探測衛星在150萬千米外日地拉格朗日點“定點”觀察而來的月球掠過地球,可以明顯看到月球只有一面對著地球(圖源:NASA)

  道理很簡單:

  通過億萬年的努力,巨大的地球把月球牢牢得實現了潮汐鎖定,使它圍繞地球一圈的公轉週期完全等於自身轉動。從地球上就只能看到當初它被固定朝向地球的一面。雖然由於月球天平動和視差現象可以瞥見一小部分背面,但絕大部分都是看不到的。我們稱之為“月球背面”,在一些文藝作品中,還被藝術得稱為“月之暗面”。需要注意的是,月球背面也能被太陽照到,並不“暗”,只不過人類看不到而已。

  看點二:“我選擇著陸月球背後,不是因為它簡單,而是因為它更難”

  人類月球探測、甚至人類航天的巔峰就是大名鼎鼎的阿波羅登月工程,它留下了載入史冊的三句話:

  甘迺迪總統說過兩句:“我們要在這個十年結束前,把宇航員送上月球,再安全送回來”,“我們選擇登月,不是因為它簡單,而是因為它很難”。

  經過無數航天人的努力,終於在1969年7月20日,由阿姆斯特朗說出了最著名的那一句:“這是我的一小步,卻是全人類的一大步”。

到中國嫦娥三號時,人類已經在月球正面有過20個著陸器,然而背面為0(圖源:Wikipedia)
到中國嫦娥三號時,人類已經在月球正面有過20個著陸器,然而背面為0(圖源:Wikipedia)

  但是,所有的阿波羅載人任務、甚至蘇聯和美國的其他無人著陸月球任務都集中在月球正面,對這裏人類已經瞭解得非常多。現在,不僅頂級科學家可以每天用激光精確監測地月距離和表面情況,普通天文愛好者也可以用望遠鏡瞭解月球正面的每一個月海、每一座環形山。阿波羅計劃甚至送了12名宇航員登陸月球正面、還帶回了382千克的單體樣本。

  之所以一直探測正面、在正面著陸,卻從不去背面,一個重要原因就是背面著陸的難度大大難於正面。

  因為蘇美太空競賽的走向逐漸變成“耗資不菲但收穫有限”,二者先後放棄了月球探測。也給人類的月球探測留下了一個大挑戰:誰能成功著陸月球背面?我們要因為難,就不去了嗎?

  嫦娥四號做出了回答:“我選擇著陸月球背後,不是因為它簡單,而是因為它更難”。

  看點三:月球背後探測會給科研界帶來什麼?

  直接劃重點:

  a. 月球背面幾乎全是環形山/隕石坑(97.5%),比正面多得多(69%),形成原因和目前的情況只有理論解釋,缺乏實地驗證;

  b. 月球背面南極-艾特肯盆地,是太陽系第二大超級隕石坑,早在1998年,NASA的月球勘探者號就發現這裏存在水冰,而且更接近月球最原始的情況;

  c. 嫦娥四號實際著陸地點位於該區域中部的馮·卡門環形山,它以錢學森的恩師的名字命名。這裏經過了強烈碰撞,極可能曾經被熔岩淹沒,各類物質含量豐富,或許留有月幔最原始的成分,保留了月球最深層的秘密;

  d. “月球上氦三能量開發可供人類能源需求XX萬/億年”的說法,相信大家已經看過很多了,而理論上月球背面環境更容易產生氦三;

  e. 月球背面有天然的“屏蔽”,沒有任何來自地球的輻射干擾,這意味著它有著無比完美的安靜環境做天文觀測;

  f. 月球背面的月壤也極有可能與正面大不相同。

月球正面(左)和月球背面(右)看起來截然不同(圖源:NASA)
月球正面(左)和月球背面(右)看起來截然不同(圖源:NASA)

  以上,基本意味著第一個實現月球背面著陸的探測器將會收穫眾多獨特的科研成果,對世界航天和天文界都將是巨大的貢獻。

  看點四:月球擋住了,信號咋辦?

  既然月球擋住了背面,就要佈置一顆信號中繼衛星,為著陸器做準備和全程信號支援。從上個世紀六十年代開始,NASA就一直在提設想、論證,但從未實踐過。目前,中國已經完成了這一任務:早在今年5月份,就成功部署了“鵲橋號”中繼衛星,在月球背後6.5萬公里之外的地月拉格朗日二點附近Halo軌道簇上運行。

鵲橋號中繼星與地球、月球的軌道關係(圖源:吳偉仁等)
鵲橋號中繼星與地球、月球的軌道關係(圖源:吳偉仁等)

  這是人類歷史上首個月球信號中繼衛星,架起了地球和月球背後的“鵲橋”,它將全程見證嫦娥四號的探測過程,也將負責嫦娥四號的全程通信。

  看點五:著陸區域到底有多複雜?

  月球背面隕石坑密佈、尤其南極-艾特肯盆地的地形和高程圖異常複雜,對各種配合著陸傳感器的系統要求很高。尤其是高度方面的變化速度超過了以往任何一次著陸,最大落差高達16.1千米。馮·卡門環形山屬於其中一塊核心區域,對嫦娥四號而言,相當於翻越崇山峻嶺來找它。

  如果把此前探測器在月球正面的著陸情形描述為小船輕輕劃過湖面,嫦娥四號在月球背面的著陸就好比在風暴洋中衝浪,難度不可同日而語。

南極-艾特肯盆地的地形圖複雜程度遠超其他地方,圖中標註處即馮·卡門環形山(圖修改自:Garrick-Bethell and Zuber)
南極-艾特肯盆地的地形圖複雜程度遠超其他地方,圖中標註處即馮·卡門環形山(圖修改自:Garrick-Bethell and Zuber)

  為了成功著陸並釋放月球車探測,所克服的難度和意義可想而知。

  看點六:為什麼四天就到月球,還遲遲不著陸?

  嫦娥四號早在12月8日就出發,使用了我國目前深空探測的最強火箭長三乙改III型。3.8噸重的它僅花了4天14時16分就完成了發射、軌道校正、近月製動、進入工作軌道,是四次主要任務中最短的一個。但依然等到了2019年1月3日才進行著陸任務。

  為什麼需要這麼長的時間呢?

  是為了等待時機。

  月球被潮汐鎖定,自轉與公轉相同,導致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。換做地球時間就是近14天交替的白天黑夜。在進入月球軌道後,嫦娥四號一邊測試儀器,一邊等待月球進入白天,畢竟它的主要能量來源是太陽能。

光線照射形成的影子,也是著陸時判斷地形的重要圖像參考(圖源:NASA)
光線照射形成的影子,也是著陸時判斷地形的重要圖像參考(圖源:NASA)

  另一方面,由於降落地點處於南極附近,它需要逐漸調整軌道傾角才能經過這裏,比較耗時。同時,也要等待太陽光照在月球的角度達到理想的狀態,這樣所有的地貌都會有比較清晰的陰影,最大程度輔助光學設備選擇並定位著陸地點。

  網上有說法是,阿波羅登月的選擇時間參考了中國的傳統曆法——農曆,某種程度上,這個說法挺有道理,因為農曆與月相一致,月相又說明了月球上太陽光照情況。這是登月設備的重要參考。

  看點七:嫦娥四號著陸怎麼“走位”?

  由於降落的難度大大增加,嫦娥四號的著陸方式也將作出改動。由於著陸地的獨特地貌特點,它的避障需求遠高於其他著陸任務。

嫦娥三號和四號動力下降過程對比(圖源:李飛等)
嫦娥三號和四號動力下降過程對比(圖源:李飛等)

  可以看出,在進入準備階段後,嫦娥四號的軌跡不降反升,而後進入一個幾乎要實現長距離垂直下降過程,期間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過程,難度極大。這麼一個複雜的“走位”,對自主導航製導與控製要求極高。

  看點八:嫦娥四號的能量怎麼來?

  採用太陽能電池板和充電電池組合,是很多月球探測器的基本配備。在(月球)白天,月球上太陽能極其充沛,太陽能電池板充電,賸餘電能儲蓄下來,所有系統正常工作。晚上能量不足,只能冬眠或降低工作強度。我國的嫦娥三號和玉兔號任務,以及蘇聯、美國諸多無人探測器,大都採用這個方案。

2013年12月2日發射的嫦娥三號和玉兔號月球車,它們能量主要依靠太陽能電池板(圖源:中國航天科技集團)
2013年12月2日發射的嫦娥三號和玉兔號月球車,它們能量主要依靠太陽能電池板(圖源:中國航天科技集團)

  為應對夜晚過低的溫度,探測器還需要攜帶放射性同位素元素鈈-238,它的半衰期長達88年,會源源不斷釋放熱量,做保溫用,嫦娥三號即是如此。與此同時,它的熱量也可以收集起來用以發電,這就是大名鼎鼎的“核電池”,太陽系的五個使者:先鋒十號、先鋒十一號、旅行者一號、旅行者二號、新視野號,皆是依靠它實現了深空之旅。

  而在嫦娥四號上,中國將首次實驗自己的“核電池”技術。儘管它不是最主要的能量來源,但這個突破已經意義重大。

  看點九:逆襲的備份!

  嫦娥四號原本是嫦娥三號的備份版本,但毫無疑問,目前它的科學和工程目標都大大超出了前者。在嫦娥四號動力下降過程中,它需要鵲橋號配合完成全部動作,這就要求對星上傳感器和核心降落輔助設備進行全新升級。

月面微型生態圈,帶有馬鈴薯、蠶、擬南芥和生命支撐系統(圖源:重慶大學)
月面微型生態圈,帶有馬鈴薯、蠶、擬南芥和生命支撐系統(圖源:重慶大學)

  基於過往經驗,嫦娥四號對月球車進行了一定改進,以期延長使用壽命,擴大科研成果。太陽能帆板系統也升級為高效三結砷化镓材料,能量來源更強勁。對嫦娥三號已有的測月雷達等設備進行升級。

  此外,在科學儀器上,為充分利用月球背後的“乾淨”天文觀測條件,它新增了探測中子及輻射劑量、低頻射電和中性原子等一系列設備。除了科研,它還攜帶了一個以科普為主要目標的月面微型生態圈,裡面有幾種生物,也是人類首次進行月面生物實驗。

  看點十:國際合作大突破

  嫦娥探月工程作為中國最具標誌性大型科學研究項目之一,在擴展中國航天國際影響力、甚至直接促進國際合作方面的意義對我國而言是無可取代的,而嫦娥四號任務(本質上鵲橋號中繼衛星也屬於嫦娥四號任務的一部分)更是為中國航天邁出了突破性的一步。

嫦娥四號任務的火箭整流罩上有眾多國際機構,可以看出這是個高度國際化的任務(圖源:中國航天科技集團)
嫦娥四號任務的火箭整流罩上有眾多國際機構,可以看出這是個高度國際化的任務(圖源:中國航天科技集團)

  在科學方面,低射頻電探測儀是與荷蘭合作,月表中子與輻射劑量探測儀是與德國合作,中性原子探測儀是和瑞典合作,月球小型光學成像探測儀是與沙特合作。

  在任務成功後,嫦娥四號收集來的一手科研數據將會對外全部公開,歡迎全世界科學家共同研究。一言以蔽之:嫦娥工程是近些年中國航天在國際上最大的一張名片,造成廣泛影響的同時,也在行業內外得到了很多關注,是我國航天對外開放吸引合作的最佳平台。

  因而,眼前的嫦娥四號,不僅是中國的,更是全世界的。它的科學和工程意義,對整個人類而言都是重大突破。

  主要參考文獻:

  1. 文中的“吳偉仁等”指來自此期刊文章:吳偉仁,王瓊,唐玉華,等. “嫦娥4號”月球背面軟著陸任務設計[J]. 深空探測學報,2017, 4(2):111-117.

  2. 文中的“李飛等”指來自此期刊文章:李飛, 張熇, 吳學英, 等. 月球背面地形對軟著陸探測的影響分析[J]. 深空探測學報, 2017, 4(2): 143-149.

  3. NASA最早提出的完整月球信號中繼方案可見文章:Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.

  4. 南極-艾特肯盆地高程原圖來自:Potter, R. W. K., G. S. Collins, W. S. Kiefer, P. J. McGovern, and D. A. Kring (2012), Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, Icarus, 220, 730–743, doi:10.1016/j.icarus.2012.05.032.

  來源:科學大院

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