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今夜嫦娥不寂寞

发布时间:2020-07-13 11:13:05 阅读: 来源:封头厂家

记者 林莉君

12月2日凌晨1时30分,承担登月重担的嫦娥三号探测器携带“玉兔”月球车,从月亮城——西昌卫星发射中心腾空而起,开启了奔月、登月、巡月之旅。

嫦娥三号这趟探月旅程的起点是地球,但终点却是遥远的月球。在这38万公里的长途旅行当中,它的每一步都承担着科学家赋予的艰巨任务。探测器系统总设计师孙泽州说,“嫦娥三号要在月球着陆,实现月面巡视、月夜生存等重大突破,开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分等探测活动。新研产品占整个产品的比例达到80%。”

“嫦娥三号创新比例比较高,过去的经验一般约定30%开展一项新的任务。现在探测器要实现软着陆,要实现在月球上的行走,要开展就位探测和巡视探测,它就必须要采用这么多的新技术。”探月工程二期副总设计师裴照宇说。

嫦娥三号

由着陆器和巡视器组成

孙泽州对嫦娥三号进行了解读。他说,嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器(也就是“玉兔号”月球车)两块组成。嫦娥三号探测器目前的任务是两个大部分,一个部分是要实施月面上着陆,再一个就是在月面上巡视勘察。这就决定了由两部分探测器组成。

孙泽州说:“探测器在落月之前,巡视器实际上是不工作的,而是作为一个载荷安装在着陆器上。前期的飞行以及动力下降、实施软着陆任务都是由着陆器完成。到月面后,着陆器和巡视器成为两个独立的探测器,在月面上开展各自的空间探测。除巡视器在月面进行巡视外,着陆器上也携带载荷,在月面上进行就位探测。”

任务

观天 看地 测月

“我国是世界上首个实现着陆器与月球车配合进行月球探测的国家,它们的功能概括起来就是六个字:观天、看地、测月。”中国科学院院士、探月工程高级顾问欧阳自远说:“着陆器上搭载的两台仪器是世界上以前没有过的,首先是月基天文望远镜,观测天空、研究星系,这也是世界上天文学家最想做的一件事情——在月亮上看天文。我们中国首先做到了这个,如果实现了的话,会有很多新的发现,这就是我们讲的观天。第二是看地——监视地球,我们有一台极紫外相机对准地球,整个地球的一半都看得见,因为自转24小时两边都能见到。第三是测量月球表面土壤的成分,为了达到这个目的,安装了测月雷达,能够测量地底下30米深的土壤层的结构。另外还可以测100米深的次表层结构,这在世界上是头一回。”

突破

着陆器:攻克三大关键技术

“着陆器的功能是先实现地月飞行,然后软着陆到月面上,最后留在月面上开展就位探测。嫦娥三号与一号二号最大的不同是动力下降段的着陆。”探测器系统着陆器副总设计师张熇说,“着陆主要有三大关键技术需要攻克,一是解决着陆的自主导航控制;二是着陆的推进技术,咱们国内首次采用了电功率发动机;三是着陆的缓冲技术。”

张熇表示,着陆器还涉及到其他一些关键技术,比如说发动机的羽流对探测器的影响。

再一个技术就是着陆的力学环境,因为最终着陆撞击月面,经过缓冲后还是会对设备带来一定的力学环境,我们做了大量的研究后,对着陆以后要工作的设备提出纠正力学环境条件考核,这个也是以前的航天器所没有遇到过的问题。

另外一个关键技术就是月尘,月面上有一层薄薄的月壤,表面这层很细的月壤在我们着陆的发动机的喷流的作用下,会扬起一定的月尘。月尘落到探测器上对光学敏感的设备等都会有影响。

因为着陆的时候如果带着很大的太阳帆板,一冲击端板可能就会折断。所以我们研制了一种全新的可重复展收的太阳翼,以前航天器上没有用过。飞行过程中把太阳翼展开,着陆前把它收起来,着陆到外面后再把它展开,这里面的一些相应关键技术都解决了。

月球车:携带四种有效载荷

嫦娥三号成功“落月”后,“玉兔号”月球车将驶离着陆器,在月面工作三个月。“‘玉兔号’月球车全名月面巡视探测器。”探测器系统巡视器副总设计师贾阳说,“上面是一个厢式结构,有4种有效载荷——全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪。另有两个摄像机,一个是一次性的,以后就不用了;另外一个摄像机既能打开也能合上。月球车的任务时间是三个月,具体到月球上是三天。”

“两个全景相机,彼此间有一定的安装角度,可以获得月球表面的立体图象;测月雷达能对月球表面以下一百米左右的地层结构进行探测。红外成像光谱仪,用来测量月表的物质成分,也就是化合物;第X射线谱仪用来测量月表的元素。综合利用几个载荷获取的各类科学探测数据,就有望获得一些有特色的科学成果。”裴照宇进一步解释说。

难点

软着陆难在哪儿

按照计划,嫦娥三号将在虹湾区实现月面软着陆。目前,全球仅有美国、苏联成功实施了13次无人月球表面软着陆。

“软着陆最大的障碍是月球上没有大气,没空气,真空,所以不能用降落伞。”欧阳自远说,“在着陆器的底部安装个发动机,开动起来减缓它降落的速度,让着陆器从15公里慢慢往下降到虹湾地区。等着陆器到了100米的高度,其底部的几个照相机就可以拍下它地下的地形情况,并将情况立即反馈。如果下面的地型是一个大坑或者一个陡岩,不能降落,着陆器就自己就挪动到底下是平缓的地方,悬停在那继续下降。距离地面还有4米的时候,发动机关机,着陆器自由落体。落下来以后着陆器上的几条腿就扎到土里头,然后就伸开翅膀,调试各个仪器设备,最后月球车从着陆器上下来。”

遥操作难在哪儿

遥操作也是嫦娥三号面临的难点之一。裴照宇说:“遥操作是我们探月工程的重大亮点,也是这次嫦娥三号任务的一个特点。一个是不可预见性,它不像对卫星进行轨道控制,在测量好轨道后,卫星的后续飞行就能够预判,在哪个地方实施控制很早就能够做好策略定好方案。而着陆器在月球上面的环境不可预知,我们不知道它周围是什么情况,无法预先选择探什么地方、怎么去探、开哪些设备来探。

第二个特点是实时性要求高,着陆器动起来以后天地之间马上就要处理。碰到什么情况马上就要处理,想探什么地方、探哪个点、怎么探,都要在很短的时间内做出决策。

第三是协同性强,它不是一家做的,而是需要天上、地面三个系统在地面协同工作,如何做好协同也有很多问题需要研究。

第四是工程展示度高。着陆器落下去之后就停止在着陆的地方,虽然也进行探测,极紫外探测和月基本光学探测一般是专业科学家感兴趣的事,但对月球车今天走了多少、明天走了多少、今天干了什么明天干了什么,老百姓是很感兴趣的,所以可能会成为后续的热点。”

月夜生存难在哪儿

在月球上过夜被认为是嫦娥三号面临的又一难点。“月夜有半个月,温度在零下150到180度,太冷了,如不采取措施,所有的仪器全部都会冻坏。解决这个问题的方法只有一个,就是加热。现在只有一种电池是可以做到,这种电池叫做原子能电池,转换成热能,它能够连续工作30年。晚上依靠电池释放的热量将温度保持在零度以上,保证所有的电子学仪器不至于被冻坏。到了太阳出来的时候叫醒它,接着探测,凡是需要保温的仪器都可以通过这个来实现。”欧阳自远说。

为了让嫦娥三号更好地适应月夜生存,“我们对热控做了严格的设计。”探测器系统着陆器热控分系统主任设计师刘自军说,“简单说,就是热控里面有一些专门产品,比如冬天比较冷点个炉子,天热的时候开空调。热控产品跟这个思路应该是基本一样的。比如,航天器外面还有一种多层隔热阻件材料,类似日常生活中的被子,把整个航天器给包起来。它是双向隔热的,热量不能往里传,也不能往外漏。高温的时候热量不能从外面传递到探测器里面,月夜的时候从里面不能传到外面。”

■延伸阅读

为什么选择在虹湾着陆

欧阳自远(中国科学院院士、探月工程高级顾问):降落的地方必须是能跟地球联系的,所以一定要降落在月球正面。那么应该在正面的哪个地方呢?第一得通讯好,第二得阳光好,第三是比较平坦,第四是得美国和前苏联还没去过,根据我们的测控能力,综合这几点最终将地点定为虹湾地区。

虹湾是39亿年以前形成的一个坑,在雨海的西北角,像一条彩虹,所以这个海湾就命名为虹湾,大概有将近400公里。这一带没有被勘察过,所以我们希望得到这一带石头的详细成分,研究成它的成因。另外一点是,我们大概靠近最北了,这一代在研究上基本上是个空白,我们希望把这个地方做的精细一点。

如何模拟月尘环境

张熇(探测器系统着陆器分系统副总设计师):对月尘,我们大多做的是仿真分析。一是着陆冲击本身会带起月尘,对此做了一些仿真,同时也做了一个实验,在真空罐里面铺了比较细的月壤,然后拿一个东西用类似于着陆速度砸下去,观察月壤的飞溅。但是,地球与月球重力不同,实验中先模拟一个G下的反应,接下来再反算到1/6G下看月尘扬起的高度和角度。二是发动机对月尘喷起的作用,这个很难在实验里模拟,只能靠仿真分析。我们请了两三家机构一起分析,模型不完全一样,但算完了结果都是差不多的。误差如果在百分之二三十,我们在设计上就会做预留。

因此,应该说尽管仿真手段不是特别完善,但从设计上已经规避了月尘的问题。月尘主要污染光学镜头、污染散热表面,着陆过程中帆板是盖散热面上的,五分钟以后才打开,从而避免了月尘积累到散热面上。

月球上有哪些能利用的资源

欧阳自远:第一种能源是太阳能。月球上的白天接近半个月,另外它的表面是真空,没有任何遮挡,所以它没有大气、没有电离层,而且地面上没有任何建筑物,所以可以无限制的铺设各种太阳能电磁板。而且由月球上的太阳能转变成电能以后输送到地球的问题已经全部解决,也就是说这个电能地球是可以用的,有一位科学家设计给月球系一根腰带在赤道上,假如这根腰带能够做成的话,以后我们的地球子孙万代,永远用的是清洁的能源。

另外一种能源是氦3,这是我们嫦娥一号发现的,世界上没有国家直接去探测这种资源。现在预算石油大概60年、煤大概100多年就要全部消耗完,月球上氦3的资源量有100多万吨,至少可以解决全人类能源的需求一万年以上。

月球的矿产资源如铀矿、钍矿、稀土、钛矿等都非常丰富。月球上的环境极其恶劣、糟糕,真空,没有磁场,温差极大,白天温度100多度,晚上温度零下150度,甚至到零下180度,没有任何污染,重力还比较小只有地球的1/6,尽管环境那么恶劣,但很多药品、生物制品,以及新材料能够在其中生产。另外,月球是地球的近邻,4天半就可以到,火星至少要8个月才能到达。而到其他别的星球上去,按照天文学家的估计大概几千万年到几亿年才能到,基本上没有任何实际的意义,最有实际意义的就是月球。

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