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作者:王赤 嚴俊 吳偉仁 于登云 董光亮 來源: 發布時間:2019-3-5 20:58:30
嫦娥四號首次登陸月背開啟科學探索之旅

 
2018年12月8日,嫦娥四號探測器在西昌衛星發射中心成功發射,經過26天的奔月之路,于2019年1月3日10時26分,成功著陸在月球背面南極·艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑內的預選著陸點(東經177.6°,南緯45.5°),并通過“鵲橋”號中繼星傳回世界首張近距離拍攝的月球背面圖像。這是人類探測器首次降落在月球背面,此前已經先后有蘇聯、美國和中國發射的 20 個人類探測器到訪過月球表面,不過它們都集中在朝向地球的這一面(正面)。美國宇航局(NASA)局長 Jim Bridenstine 第一時間在推特上發文表示祝賀,并稱“這是人類首次(在月球背面軟著陸),成就令人印象深刻”。
 
2019年1月3日22時22分,著陸器與巡視器(玉兔二號)經過約6個小時的兩器分離后,玉兔二號駛抵月球表面,并在隨后的時間里通過各自攜帶的相機進行了兩器互拍成像。
 
為什么是嫦娥四號?
 
2004年,我國正式開展月球探測工程,并命名為“嫦娥工程”,確定了“繞”“落”“回”三步走的計劃。第一顆繞月衛星被命名為嫦娥一號,嫦娥二號是嫦娥一號的備份星,超額完成了嫦娥工程一期任務。嫦娥三號是嫦娥工程二期的探測器,是我國第一個月球軟著陸的無人登月探測器。嫦娥三號探測器由月球軟著陸探測器(簡稱著陸器)和月面巡視探測器(玉兔號)組成,2013年12月14日成功實現月球正面軟著陸。嫦娥四號是嫦娥三號的備份星,如果嫦娥三號任務沒有成功,則將再次嘗試同樣的任務。由于嫦娥三號任務圓滿完成,嫦娥四號被安排接受新的挑戰——實施月球背面的軟著陸。最后“回”的任務將由預期2019年年底發射的嫦娥五號到月球正面取樣返回來完成。月球南極由于其潛在的水冰資源和特殊環境,是實現長期科研和資源開發的理想場所,探月工程后續任務又規劃了以探測月球南極和采用3D打印等一系列關鍵技術的月面試驗為目標的探月四期,于是嫦娥四號也成為了探月四期的首次任務。
 
為什么要去月球背面?
 
在地-月系統長期的演化過程中,地球和月球之間的潮汐力使得月球的自轉和繞地球的公轉周期相同,而且自轉和公轉的方向一致,因而不管陰晴圓缺,月球總是以同一面朝向地球。月球背面的第一張影像由前蘇聯的月球3號太空船在1959年拍攝,而人類直到1968年在阿波羅8號任務環繞月球時,才直接用眼睛看見月球背面。在月球正面,有大量的暗區,我們稱之為“月海”,它們地勢一般較低,表面覆蓋著“月海玄武巖”,并且月面反照率比較低,因此看起來比較黑。而月球背面缺少月海,因為月球正面和背面的月殼厚度不同,這與月球的形成有關。
 
月球背面的地形主要為一大堆起伏不平的撞擊坑,如太陽系第二大撞擊坑,南極·艾特肯盆地。嫦娥四號著陸區就位于月球背面南極·艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑。
 
月球馮·卡門撞擊坑屬于月球三大板塊結構之一,是構成月殼的重要組成部分,同時也是月球上最古老、最大的撞擊坑,其物質成分和地質年代具有代表性,對于認識月球最早期的撞擊歷史和太陽系的形成具有重要科學價值,特別是判定太陽系是否存在39億年晚期密集轟擊事件,具有決定性的作用。
 
由于地球大氣和電離層的影響,對頻率低于~10MHz的射電輻射在地球上進行觀測幾乎是不可能的,地面射電天文觀測都是在更高的頻段開展,而月球沒有顯著的大氣和電離層,同時月球自身可以屏蔽來自地球的各種無線電干擾信號,因而月球背面是開展(甚)低頻頻段射電天文探測的理想場所,可以填補射電天文領域上在(甚)低頻觀測段的空白。(甚)低頻是研究太陽、行星及太陽系外天體的重要手段,也將為研究恒星起源和星云演化發揮不可或缺的重要作用。其中特別激動人心的可能性是用低頻射電探測儀觀測探索宇宙大爆炸結束后的黑暗時代,以及此后第一代恒星形成時的宇宙黎明。
 
嫦娥四號去月球背面干什么?
 
嫦娥四號探測器將在月球背面著陸區開展原位和巡視探測,主要包括低頻太陽射電天文與月表射電環境觀測,對月表地形地貌、撞擊坑、月表物質成分、月面淺層結構等的科學探測任務,其主要科學目標為:1、月基低頻射電天文觀測與研究。2、月球背面巡視區形貌和礦物組份探測與研究。3、月球背面巡視區淺層結構探測與研究。4、月面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。
 
嫦娥四號的“眼睛”和“耳朵”
 
嫦娥四號任務采用“月球背面軟著陸+巡視+中繼”的方案,由中繼星和著巡組合體組成,著巡組合體則由著陸器和巡視器(玉兔二號)組成。為了實現嫦娥四號的科學目標,在著陸器、巡視器和中繼星上都配備了“眼睛”和“耳朵”來“觀景”、”聽聲”和“探物”。
 
著陸器的降落相機在著陸器降落過程中獲取著陸區的光學圖像,地形地貌相機主要獲取著陸區的地形地貌照片;低頻射電譜儀用來探測太陽低頻射電特征和月表低頻射電環境;中德合作的月球中子及輻射劑量探測儀(LND)用來探測月表粒子輻射及其劑量。
 
巡視器(玉兔二號)的全景相機主要用來獲取著陸區和巡視區月表三維圖像;測月雷達主要用來探測巡視線上的月球次表層結構;紅外成像光譜儀負責開展巡視區月表紅外光譜分析和成像探測,以確定月表礦物成分;中瑞合作的中性原子探測儀(ASAN)則用來觀測巡視探測點的能量中性原子及正離子。
 
此外,“鵲橋”號中繼星上還搭載了中荷合作的低頻射電探測儀(NCLE),開展低頻射電觀測。
 
科學探索之旅的期待
 
在2019年1月3日嫦娥四號探測器成功落月后,按照飛行程序,著落器和巡視器科學探測儀器(有效載荷)陸續開機工作,各個設備工作正常,其中降落相機和地形地貌相機已經完成了既定的探測任務。中繼星搭載的低頻射電探測儀完成了天線收攏狀態下的加電測試,數據正常。著陸器地形地貌相機的環拍圖顯示著陸器周圍的碎石比較少,說明這個撞擊坑很古老,因為撞擊濺射出的石塊會隨著時間流逝慢慢破碎,進而消失。
 
由于月球自轉和公轉相同,月球的一天就是月球一年,一半是黑夜一半是白天,換成地球時間是近14天交替的白天黑夜。2019年1月14號在第一個月夜降臨后,由于沒有陽光的照射,太陽能帆板無法提供能量,嫦娥四號著陸器和玉兔二號巡視器陸續進入了休眠。2019年1月30日20時39分,嫦娥四號著陸器接受光照自主喚醒。此前,玉兔二號巡視器于29日20時許完成自主喚醒。兩器在月球背面經受住了極低溫環境考驗,關鍵設備按預定程序相繼通電開機,安全度過首個月夜。后面重點工作就是要開展科學探索了,嫦娥四號著陸器主要在原地探測,玉兔二號巡視器選擇好了未來行走的路線。從傳回的照片看,西北方向地形相對平緩,玉兔二號的行走方向以西北方向為主,將開展超過3個月的科學探索之旅。那我們期待嫦娥四號取得什么重大科學成果呢?
 
首先可以利用低頻射電頻譜儀獲取的太陽低頻射電和月表射電環境探測數據,這是以前沒有過的,有望在太陽風激波、日冕物質拋射和高能電子束的產生機理等方面取得原創性的成果。二是通過對著陸區和巡視區地形地貌、物質成分、淺層結構的探測與綜合研究,將在國際上首次建立月球背面集地形地貌、地質構造、物質成分、淺層結構于一體的綜合地質剖面。三是結合嫦娥三號巡視探測器探測成果的對比研究,可在月壤和月殼的地質演化細節的研究上獲得新認知,揭示月球南極·艾特肯盆地物質成分組成、淺層結構特性和地質演化歷史。四是首次在月表開展能量中性原子探測,有望在太陽風-月表相互作用的微觀物理機制、月表逃逸層的形成和維持機制等方面取得突出的研究成果。月表輻射綜合探測將獲得最新的月表輻射實測數據資料,推進對月表真實輻射環境的全面了解和認識。
 
嫦娥四號任務是人類第一次探尋月球背面這塊“處女地”,隨著有效載荷的陸續開機進行科學探測,月球背面的神秘面紗將會被逐步揭開,預期取得重要的科學成果,顯著提升我國空間探測能力和空間科學水平,推進人類探索月球和宇宙的步伐!
(本文作者來自嫦娥四號工程總師系統;王赤:探月工程嫦娥四號工程副總設計師;嚴。禾皆鹿こ淌紫茖W家;吳偉仁:探月工程總設計師;于登云:探月工程嫦娥四號工程副總設計師;董光亮:探月工程嫦娥四號工程副總設計師)
 
《科學新聞》 (科學新聞2019年2月刊 科學傳播)
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