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《科学24小时》

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“嫦娥四号”月背软着陆

2016-11-30 19:07:38

国防科工局今年1 月宣布,我国“嫦娥四号”探月卫星已经通过探月工程重大专项领导小组审议,将在2018 年发射,去完成人类航天器月球背面的首次软着陆。虽然人类对月球探测已有半个多世纪之久,但尚未有探月卫星实现月球背面着陆。因此,这一消息引起了国内外业界人士的高度关注。

 

“嫦娥工程”增添的一项新任务

众所周知,我国的探月工程又被叫做“嫦娥工程”,具体计划分为“绕、落、回”三个阶段。

由于“嫦娥三号”的任务于201312 4 日顺利完成,因此探月专家就萌生了让它的备份器“嫦娥四号”去完成一些新任务的想法。于是,“嫦娥四号”在月球背面软着陆的使命便应运而生了。由于软着陆月背的环境条件和肩负的使命不同,科研人员将“嫦娥四号”携带的有效载荷做了一些调整和变动:保留了“嫦娥三号”上的降落相机、地形地貌相机,以及巡视器上的全景相机、测月雷达和红外成像光谱仪;新增了着陆器上的低频射电频谱仪、与俄罗斯合作研发的月尘测量仪,巡视器上还可能携带与瑞典合作研发的中性粒子探测仪。

2016 3 月,为了激发公众的探索热情,国防科工局联合四部委,向公众发起了可工作在“嫦娥四号”着陆器、巡视器或中继卫星上,用于探测活动、科学实验或技术试验的载荷创意征集活动。这就表明,“嫦娥四号”升空时,还有可能携带其他新研制的有效载荷,成为一位集军民融合、国际合作、公众参与于一身的“月球使者”。“嫦娥四号”落月的重要意义月球背面之所以对人类具有巨大诱惑力,是因为那里存在着一个从月球南极延伸至中纬度区域的艾托肯盆地,其最宽处直径达2400 千米,深度约为8 千米。由于该地终年不见阳光,环境温度很低,因此专家估计那里可能存在着储量丰富的水冰。此外,该盆地还可能存在可供开发的矿产资源。

艾托肯盆地是太阳系中拥有40亿年历史的极大、极深和极古老的火山口之一,很可能埋藏着太阳系形成初期的秘密。航天专家认为,可以在该盆地的合适位置部署一个低频无线电天线阵,来观测宇宙早期的第一批恒星,开拓天文学的视野。

我国探月工程将利用月球背面屏蔽地球无线电干扰的独特条件,开展对太阳和其他天体的科学观测,让其成为射电天文学和其他相关科学研究的平台。同时,月球背面保存着很多最古老的月壳岩石,利用“嫦娥四号”对其开展地质特征调查,有望在国际上首次建立集月球地形地貌、浅层结构、物质成分于一体的综合地质剖面和演化模型,帮助人类获得对月球早期演化历史的新认识,更入地了解月球的现状。从深空探测的角度而言,这都具有重要的科学价值。

 

在地月L2点晕轨道实现中继通信

由于月球背面永远背对地球,“嫦娥四号”软着陆之后要实现与地球的信号传输,就需要向地球和月球系统的第二个平动点,即地月系统拉格朗日-2 点(简称地月L2 点)发射一颗卫星作为空间通讯中继站。此举也是“嫦娥四号”探月任务获得成功的一大关键。

地月系统拉格朗日L2 点始终处于月球背面上空,并和月球一起以相等的角速度围绕地球运动。因此从地球上无法用无线电与停泊在该点的航天器进行联络。为了解决这个问题,航天专家选择了晕轨道的办法予以应对。

 

地月系统5 个拉格朗日点分布示意图

晕轨道就是位于垂直地-月连线平面内的,以平动点L2 为圆心的圆形轨道。从地球上看,在晕轨道上运行的航天器呈现为围绕月球的视运动。由计算可知,当轨道半径大于3500 千米时,即可达到可视效果。而围绕平动点运行的航天器周期约为半个月,这样就解决了与地面通信的难题。因此,运行在地月系统拉格朗日L2 点晕轨道上的航天器要成为称职的中继站,必须要具备控制轨道的能力。

根据目前“嫦娥四号”探月卫星的研制情况和方案来看,我国计划在2018 6 月先发射部署中继星,同年年底再发射着陆器和巡视器。综上所述,此次“嫦娥四号”探月任务有望实现以下三大壮举:首次实现人类探测器造访月球背面;首次为科技工作者提供月球背面空间科学研究平台,获得一批重大的原创性科研成果;首次实现人类航天器在地月L2 点对地月中继通信。月球背面就像被头纱遮盖的神秘女子的“侧脸”,诱得人们总想一睹芳容。然而,受通讯的限制,人们至今未曾遂愿。但我们坚信,“嫦娥四号”探月卫星必将一尝所愿!这份自信,源于中国探月者们曾经交出的一份份令世人侧目的满意答卷!

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