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为什么要去月球背面,专家揭秘嫦娥四号论证过

2019-10-21 10:28

1月13日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面,实现人类探测器在月球背面的首次软着陆。

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在这一全球瞩目的历史突破背后,中国科学家经历了怎样的千锤百炼?3月23日,中国空间技术研究院嫦娥四号探测器项目执行总监、副总设计师张熇作为演讲嘉宾出席“我是科学家”年度盛典,揭秘了嫦娥四号揽月背后的故事。

嫦娥四号降落前,通过观察计算才确定最终着陆地点。

多年前,还在上初中的张熇,因一本《航天》杂志,燃起对航空航天的兴趣与热爱。2001年,她开始从事中国探月工程探测器的设计研制工作。此后至今,她亲身经历探月工程绕落回发展战略的论证,并参与了嫦娥一号、嫦娥三号、嫦娥四号探测器的研制。

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嫦娥四号论证过程“漫长而艰苦”

嫦娥三号在距离月面三公里时完成主减速,而嫦娥四号距离月面八公里时就完成主减速、到达着陆区域上方。

2013年,嫦娥三号任务圆满成功后,嫦娥四号的论证工作开始。但是,嫦娥四号的目标着落点设在何处?让它像嫦娥三号一样继续落在月球正面,还是落在其他地方,比如月球背面?科学家有不同看法。

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对于全人类而言,月球背面都是一片神秘的处女地。有科学家提出,既然没有任何国家去过,有两种可能:去月球背面没有什么意义,或者技术难度太大。

张熇落泪,叶院士走到张熇背后。

“经过充分的论证和优化,我们认为可以实现着陆在月球背面的目标。但许多科学家还是有质疑。”张熇回忆,嫦娥四号经过了很多轮漫长而艰苦的评审,每轮评审后都会面临新的疑问,研制团队就要做相应的分析,提出解决方案。

1月13日,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面,实现人类探测器在月球背面的首次软着陆。

评审和论证工作,一直持续到2015年。张熇说,在一次“决定嫦娥四号目的地最终命运”的关键评审会上,还是有科学家存在不同意见。但中国科学院院士、航天科技集团五院深空探测和空间科学首席科学家、“嫦娥一号”工程总设计师叶培健据理力争,凭借多年的工程经验和战略思考,争取到了大家的共识。

在这一全球瞩目的历史突破背后,中国科学家经历了怎样的千锤百炼?3月23日,中国空间技术研究院嫦娥四号探测器项目执行总监、副总设计师张熇作为演讲嘉宾出席“我是科学家”年度盛典,揭秘了嫦娥四号揽月背后的故事。

“空间探索的目标就要探索未知,‘没有人去过’本身就已经是很大的意义。在月球背面,我们也可能有更多首创的科学发现。”张熇说。

多年前,还在上初中的张熇,因一本《航天》杂志,燃起对航空航天的兴趣与热爱。2001年,她开始从事中国探月工程探测器的设计研制工作。此后至今,她亲身经历探月工程绕落回发展战略的论证,并参与了嫦娥一号、嫦娥三号、嫦娥四号探测器的研制。

2019年1月3日上午,嫦娥四号在月球背面的冯·卡门撞击坑成功着陆。探测器落月瞬间,48岁的张熇掩面而泣。74岁的叶培健走到张熇背后,紧紧握住了她的右手。

嫦娥四号论证过程“漫长而艰苦”

着陆前飞越了复杂崎岖的地形障碍

2013年,嫦娥三号任务圆满成功后,嫦娥四号的论证工作开始。但是,嫦娥四号的目标着落点设在何处?让它像嫦娥三号一样继续落在月球正面,还是落在其他地方,比如月球背面?科学家有不同看法。

2013年,嫦娥三号成功着陆在月球虹湾地区。张熇给现场观众展示了一张三维成像图,着陆区域是大片的蓝色,意味着这里的地形相对平坦。但月球背面的高地、撞击坑很多,没有这样面积较大又平坦的区域。

对于全人类而言,月球背面都是一片神秘的处女地。有科学家提出,既然没有任何国家去过,有两种可能:去月球背面没有什么意义,或者技术难度太大。

复杂崎岖的地形,给嫦娥四号带来了相当大的挑战。“嫦娥三号可以在很大范围内着陆,对控制精度的要求相对较低。背面只能在很小的区域着陆,对精度提出了更高的要求。”张熇说,后来选择的主着陆区域,大概范围只有50×30公里。

“经过充分的论证和优化,我们认为可以实现着陆在月球背面的目标。但许多科学家还是有质疑。”张熇回忆,嫦娥四号经过了很多轮漫长而艰苦的评审,每轮评审后都会面临新的疑问,研制团队就要做相应的分析,提出解决方案。

除了着陆区域小,嫦娥四号还面临航迹地形起伏剧烈的问题。原来,从距离月面15公里的空中到着陆,嫦娥四号并非垂直降落,而是飞过了大概450公里的距离。飞行中,它先后经过了高地中的凹坑、凹坑中的高地,最后才进入到冯·卡门坑。

评审和论证工作,一直持续到2015年。张熇说,在一次“决定嫦娥四号目的地最终命运”的关键评审会上,还是有科学家存在不同意见。但中国科学院院士、航天科技集团五院深空探测和空间科学首席科学家、“嫦娥一号”工程总设计师叶培健据理力争,凭借多年的工程经验和战略思考,争取到了大家的共识。

“航迹起伏的曲线最多可以达到四五公里”,张熇介绍,地形起伏给测距测速带来很大的影响,会导致导航误差。为了实现安全着陆,嫦娥四号在嫦娥三号的基础上进行了许多创新,归结起来主要有四个方面,即精细化轨道设计与控制、精细化发动机标定、优化动力下降策略和接力避障。

“空间探索的目标就要探索未知,‘没有人去过’本身就已经是很大的意义。在月球背面,我们也可能有更多首创的科学发现。”张熇说。

要在地面上模拟月球的环境并攻克上述难关,需要大量细致的工作。张熇举例说,帮助嫦娥四号减速的发动机必须有7500牛的推力,哪怕推力的偏差只有1%,着陆点也会偏差到几公里。

2019年1月3日上午,嫦娥四号在月球背面的冯·卡门撞击坑成功着陆。探测器落月瞬间,48岁的张熇掩面而泣。74岁的叶培健走到张熇背后,紧紧握住了她的右手。

到了距离月面100米时,科学家还为嫦娥四号设计了一个几十秒的悬停,用激光三维成像敏感器去拍摄着陆区域。“可以明显看出下方有两个大坑,右边还有坑。”张合说,凭借这张照片和精密的计算,嫦娥四号得以识别出安全地点并成功降落。

着陆前飞越了复杂崎岖的地形障碍

“把航天器当作自己的孩子,更心存敬畏”

2013年,嫦娥三号成功着陆在月球虹湾地区。张熇给现场观众展示了一张三维成像图,着陆区域是大片的蓝色,意味着这里的地形相对平坦。但月球背面的高地、撞击坑很多,没有这样面积较大又平坦的区域。

据了解,嫦娥四号上搭载了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、月球中子及辐射剂量探测仪、全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、中性原子探测仪等科学载荷。

复杂崎岖的地形,给嫦娥四号带来了相当大的挑战。“嫦娥三号可以在很大范围内着陆,对控制精度的要求相对较低。背面只能在很小的区域着陆,对精度提出了更高的要求。”张熇说,后来选择的主着陆区域,大概范围只有50×30公里。

距离嫦娥四号成功着陆已经过去了两个多月,它的工作情况怎么样?很多人对此都非常关心。张熇说,目前所有科学载荷都在正常工作。但她也提醒:“科学数据的分析积累有一个过程,大家可能不能太着急。”

除了着陆区域小,嫦娥四号还面临航迹地形起伏剧烈的问题。原来,从距离月面15公里的空中到着陆,嫦娥四号并非垂直降落,而是飞过了大概450公里的距离。飞行中,它先后经过了高地中的凹坑、凹坑中的高地,最后才进入到冯·卡门坑。

她介绍,嫦娥四号还做了一件比较有意思的事情,测量月壤温度。“以前我们都是看国外的资料,这一次自己实测了一下。”由于释放巡视器所用的梯子底端正好会接触到月壤,科学家就把测温敏感器放在了梯子上。现在的发现是,月球背面的月壤在夜间的温度达到-190℃。

“航迹起伏的曲线最多可以达到四五公里”,张熇介绍,地形起伏给测距测速带来很大的影响,会导致导航误差。为了实现安全着陆,嫦娥四号在嫦娥三号的基础上进行了许多创新,归结起来主要有四个方面,即精细化轨道设计与控制、精细化发动机标定、优化动力下降策略和接力避障。

为了实现月夜测量,科学家研发了一种新的“同位素温差电池”,让同位素元素衰变产生热,再利用半导体材料把热转换成电。张熇说,尽管目前可以提供的电能还比较少,但相关的技术突破后,会给未来的深空探测奠定比较好的应用基础。

要在地面上模拟月球的环境并攻克上述难关,需要大量细致的工作。张熇举例说,帮助嫦娥四号减速的发动机必须有7500牛的推力,哪怕推力的偏差只有1%,着陆点也会偏差到几公里。

回想起自己落泪的画面被媒体拍下并走红网络,张熇也很感慨。“很多时候,大家看到的是航天任务成功、我们激动欢喜的场面。但是对于我们来说,很多遇到挫折的情况最难忘。”她说。

到了距离月面100米时,科学家还为嫦娥四号设计了一个几十秒的悬停,用激光三维成像敏感器去拍摄着陆区域。“可以明显看出下方有两个大坑,右边还有坑。”张合说,凭借这张照片和精密的计算,嫦娥四号得以识别出安全地点并成功降落。

有一次,研制团队进行全系统试车,也就是整套系统的验证。着陆器固定在实验台上,研制团队在两三百米外的测试间。没想到,发动机点火几十秒就着火,冒出滚滚浓烟。实验被紧急叫停。

“把航天器当作自己的孩子,更心存敬畏”

张熇说,仔细排查发现,着火其实是非常小的疏忽造成的,但就是这样一个疏忽,导致推进系统的产品全部报废。“我们说把航天器当做自己的孩子,其实不只当做孩子。对航天器,我们心里也更有一丝敬畏。”

据了解,嫦娥四号上搭载了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、月球中子及辐射剂量探测仪、全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、中性原子探测仪等科学载荷。

张熇的一位资深同事曾对她说,航天器是有感情的,“你认真对待它,它就好好工作;你糊弄它,它到时候就糊弄你”。张熇深以为然。她相信,只要用心地对待工作,就一定能实现人类历史上的更多突破。

距离嫦娥四号成功着陆已经过去了两个多月,它的工作情况怎么样?很多人对此都非常关心。张熇说,目前所有科学载荷都在正常工作。但她也提醒:“科学数据的分析积累有一个过程,大家可能不能太着急。”

“深空探测充满未知,也充满挑战。”演讲最后,张熇大声说,“我喜欢!”

她介绍,嫦娥四号还做了一件比较有意思的事情,测量月壤温度。“以前我们都是看国外的资料,这一次自己实测了一下。”由于释放巡视器所用的梯子底端正好会接触到月壤,科学家就把测温敏感器放在了梯子上。现在的发现是,月球背面的月壤在夜间的温度达到-190℃。

为了实现月夜测量,科学家研发了一种新的“同位素温差电池”,让同位素元素衰变产生热,再利用半导体材料把热转换成电。张熇说,尽管目前可以提供的电能还比较少,但相关的技术突破后,会给未来的深空探测奠定比较好的应用基础。

回想起自己落泪的画面被媒体拍下并走红网络,张熇也很感慨。“很多时候,大家看到的是航天任务成功、我们激动欢喜的场面。但是对于我们来说,很多遇到挫折的情况最难忘。”她说。

有一次,研制团队进行全系统试车,也就是整套系统的验证。着陆器固定在实验台上,研制团队在两三百米外的测试间。没想到,发动机点火几十秒就着火,冒出滚滚浓烟。实验被紧急叫停。

张熇说,仔细排查发现,着火其实是非常小的疏忽造成的,但就是这样一个疏忽,导致推进系统的产品全部报废。“我们说把航天器当做自己的孩子,其实不只当做孩子。对航天器,我们心里也更有一丝敬畏。”

张熇的一位资深同事曾对她说,航天器是有感情的,“你认真对待它,它就好好工作;你糊弄它,它到时候就糊弄你”。张熇深以为然。她相信,只要用心地对待工作,就一定能实现人类历史上的更多突破。

“深空探测充满未知,也充满挑战。”演讲最后,张熇大声说,“我喜欢!”

采写:南都记者 冯群星 图片来自网络

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