着陆成功:嫦娥4号将代表人类首次实地探测月球背面
2019-01-03 16:04

着陆成功:嫦娥4号将代表人类首次实地探测月球背面

本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:灰原哀博士(haibaraemily),从事行星科学研究。


2019年1月3日上午10:26,经过26天的飞行,嫦娥4号月球探测器顺利着陆在月球背面东经177.6°,南纬45.5°的预选着陆区中,成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器,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。这是中国探月工程“绕、落、回”计划的第二阶段,也是继5年前的嫦娥3号任务成功完成之后我国深空探测史上的新篇章。


嫦娥4号任务包括一枚着陆器和巡视器(月球车)的组合体,以及一枚为着陆器/月球车与地球提供通讯的中继卫星“鹊桥”号。


鹊桥号是人类首颗位于地月拉格朗日L2晕轨道(halo轨道)的通讯中继卫星,目的是为了解决着陆任务挑战月之背面的通讯难题,因此已在半年多前提前发射并于6月14日顺利抵达预定轨道。


嫦娥4号着陆器(左)和月球车(右)模型图 / 航天科技集团


“鹊桥”工作示意图(下)。改编 / [1]


着陆之后的嫦娥4号会打开太阳能电池板,将天线指向中继星传回讯号,并于几个小时后释放月球车。我们即将再次看到着陆器和月球车历史性的两器互拍!


2013年12月15日,嫦娥3号落月6个小时后,着陆器的地形地貌相机和月球车玉兔的全景相机互拍


(正式高清图稍后才会陆续放出,先用低清版想象一下吧),这是着陆器的降落相机拍的


这是着陆器的监视相机C拍摄的着陆点南侧月球背面图像,月球车将朝这个方向驶向月球表面。/ CNSA/CLEP


这是人类探测器首次在月球背面拍摄的图片,第一次揭开古老月背的神秘面纱。


嫦娥4号的奔月之路


2018年12月8日凌晨2:23,嫦娥4号发射升空,奔向约38万公里外的月球。


12月12日16时45分,经过约110小时的地月转移轨道后,嫦娥4号探测器成功实施近月制动,进入了近月点约100公里的环月轨道。


12月30日8时55分,嫦娥4号探测器在距月面平均高度约100公里的环月轨道上成功变轨,降轨进入近月点高度约15公里、远月点高度约100公里的环月轨道,顺利进入预定的月球背面着陆准备轨道[2]。


嫦娥4号的奔月之路是这样的(手机端横屏观看,PC端歪脖子看)



由于轨道准确,预定的三次轨道修正最终只执行了一次,第三次和第一次都取消了。修改自 / 航天科技集团


嫦娥4号如何着陆?着陆在哪里?


嫦娥4号的着陆点位于月球背面南极-艾特肯盆地(简称SPA)中的冯·卡门撞击坑(中心位于东经176.2°,南纬44.4°)内。不用多说,这个撞击坑是以航天工程学家、NASA喷气动力实验室(JPL)的创始人之一冯·卡门的名字命名的,他也是“中国航天之父”钱学森先生的博士导师。


嫦娥4号本次选择探访南极-艾特肯盆地,不仅仅是因为月之背面还没有着陆任务去过,还因为南极-艾特肯盆地本身就有重要的、不可替代的科学价值。直径约2400公里、形成于月球前酒海纪(39.2亿年前)的南极-艾特肯盆地深达12公里,是太阳系中目前已知的最大的撞击盆地之一,也是月球上最深、最古老的大型撞击盆地。因此,对南极-艾特肯盆地的实地考察,有助于帮助人类加深对南极-艾特肯盆地的形成、月球深处的成分,以及月球地质历史的理解。


然而,着陆南极-艾特肯盆地艰险异常。尽管鹊桥中继卫星解决了通讯难题,但不同于大片大片被月海玄武岩覆盖的平坦的正面,月球的背面崎岖坎坷,鲜有大片平坦的地方,被层层叠叠的撞击坑覆盖的南极-艾特肯盆地中也是如此——这里的起伏可以高达7公里,而且波动明显[3]


嫦娥3号和4号的着陆区位置。/ LRO WAC/haibaraemily


冯·卡门撞击坑中因为有大片被月海玄武岩覆盖的区域,成了月球背面少有的平坦区域,这也是嫦娥4号选择在这里着陆的重要原因之一。当然,除了地形之外,这里的光照、测控等条件也是经过了检验,适合嫦娥4号顺利着陆和探测的。


冯·卡门撞击坑的位置和周围的几个撞击坑,黄色为本次嫦娥4号的着陆点,浅蓝色区域为月海玄武岩填充区域,这些区域非常平坦。/ LRO WAC/haibaraemily


然而,即便找到了平坦的地方,嫦娥4号着陆的难度系数依然非常高,因为冯·卡门撞击坑的直径只有186公里——这意味着嫦娥4号必须落得飞常准。一旦偏了一点,就可能落不进平坦的区域,而是撞上崎岖的高山低谷了。


因此,嫦娥4号的着陆策略也做出了调整。虽然和嫦娥3号一样,自主着陆的嫦娥4号整个动力下降过程也分为6个阶段:主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。但不同于嫦娥3号的抛物轨迹下降,嫦娥4号选择进一步减小着陆位置的不确定性,以近乎垂直的方式着陆。


嫦娥3号(左)和嫦娥4号(右)的动力下降过程对比图。/ [3]


嫦娥4号将要探测什么?


嫦娥4号此行主要有三大目标:


1、探测月球背面巡视区的地形地貌、矿物成分;


2、探测背面巡视区的浅表层结构;


3、利用月球背面得天独厚的射电天文环境展开低频射电天文观测。


要如何完成这些目标,当然是得看嫦娥4号带了些什么了。作为嫦娥3号的备份机,嫦娥4号不管是外形还是携带的科学仪器都很大程度上继承了嫦娥3号,带的仪器也有很大的相似性。


素材 / CNSA


嫦娥4号和嫦娥3号一样携带了8个科学仪器,但根据实际探测目标和探测环境的变化对携带的科学仪器做出了新的调整[1]



嫦娥4号的着陆器和月球车的设计寿命分别为6个月和3个月,所以,在接下来的半年里,我们可以期待嫦娥4号带来更多惊喜~


参考资料:


[1] 吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, & 张玮等. (2017). "嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计. 深空探测学报, 4(2), 111-117.

[2] 国家航天局 | 嫦娥四号探测器成功实施环月降轨控制http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6804993/content.html

[3] 李飞,张熇,吴学英,等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]. 深空探测学报,2017,4(2):143-149.

[4] Jia, Y., Zou, Y., Ping, J., Xue, C., Yan, J., & Ning, Y. (2018). The scientific objectives and payloads of Chang’E− 4 mission. Planetary and Space Science. 

[5] http://www.planetary.org/multimedia/space-images/earth/panoramic-view-around-change3-don-davis.html

[6] http://www.ieap.uni-kiel.de/et/people/wimmer/2017-04-03-LND-review.pdf

[7] Li, C., Liu, J., Ren, X., Zuo, W., Tan, X., Wen, W., ... & Yan, J. (2015). The Chang’e 3 mission overview. Space Science Reviews, 190(1-4), 85-101.


本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:灰原哀博士(haibaraemily),从事行星科学研究。

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