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嫦娥四号落月解读——揭秘月背之旅三大挑战

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  嫦娥四号落月解读——揭秘月背之旅三大挑战

  1月3日,嫦娥四号在举世瞩目之下成功踏上月球背面,实现了人类探测器首次月背软着陆。此前,嫦娥四号已经飞越38万公里,一路走来,历尽艰辛。

  嫦娥四号探测器包括两器一星,即月球软着陆探测器、月面巡视探测器、“鹊桥”中继卫星,飞行过程则包括发射、地月转移、环月、动力下降等阶段。这其中每一步面临的挑战都不可小觑。

  中国航天科技集团八院嫦娥四号探测器系统副总指挥兼副总设计师张玉花表示,不管是地球与巡视器间的通信延时,还是月球背面着陆区的地形崎岖,抑或是没有光照的漫长月夜,都将考验嫦娥四号着陆器和巡视器。好在,落月这一步已经顺利走完。

 

  挑战一:至少数分钟的通信延迟

  月球的一面对着地球,而另一面则永远背对着地球。嫦娥四号任务与嫦娥三号任务的首要不同,就在于探测器降落地点由月球正面改为了月球背面,这就使得探测器与地球的直接通信信号受到月球遮挡,必须通过“鹊桥”中继星进行信号中转。

  2018年5月21日,八院研制的长征四号丙运载火箭成功将“鹊桥”中继星送入地月转移轨道,卫星随后进入环绕地月L2点的使命轨道,为后续着陆器、巡视器与地面站之间的测控和数据传输提供中继服务。

  随之带来的问题是,地球与巡视器间的通信延时大大增长。

  张玉花说,在动力下降过程中,着陆器不能对地直接通信,只能通过中继星进行上下行操作,这些都是此次任务的难点。

  八院804所测控分系统主任设计师汪莹也提到,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。

  科研人员为此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。

  汪莹告诉记者,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,这就要求测控数传分系统充分考虑冗余设计,提高系统可靠性。

  挑战二:漫长月夜靠谁供给能量

  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摄氏度。

  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,如何凭借自身存储的能量,安全度过月夜将是一个很大的挑战。

  科研人员提出休眠唤醒的概念:当太阳缓慢地升起时,着陆器和巡视器将开始忙碌的14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。

  而当月夜降临时,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。

  探月工程太阳电池电路负责人陈城透露,嫦娥四号采用了三结砷化镓太阳电池,光电转换效率大大提升。而且,新电池降低了太阳电池片的厚度,为太阳电池“减重”了10%。

  挑战三:着陆区地形崎岖撞击坑大且密

  嫦娥四号着陆区是位于月球背面南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑。张玉花说,嫦娥三号的虹湾着陆区整体地形平坦,与之相比,嫦娥四号着陆区地形比较崎岖,撞击坑大且分布密集,这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了更高要求。

  此外,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,月球重力只有地球的1/6,科研人员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。

  张玉花告诉记者,在整个任务过程中,科研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7种工作模式,以应对不同的月面环境。

  本报北京1月3日电

  中国青年报·中青在线记者 邱晨辉 来源:中国青年报

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