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嫦娥四号带你去看月球另一面 上海技术保驾护航

东方网记者解敏12月8日报道:今天凌晨2时23分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器,开启了月球探测的新旅程。嫦娥四号离开地球表面,带着中国航天人的光荣与梦想,一路飞奔到月球,这其中也满载着上海技术为中国探月工程提供的支撑与保障。

嫦娥四号研制现场

中国航天科技集团公司第八研究院(上海航天技术研究院)十几年来心中一直有一个探月梦,但由于各种原因,八院曾与探月一期任务擦肩而过,直到2004年才正式提出开展探月二期工程论证和研究。2008年,我国探月工程二期正式立项,八院在嫦娥三号任务中争取到了五个半分系统的研制任务。项目办主任丁同才回忆道,一开始只有几名兼职设计人员,关键技术储备不足,可谓困难重重。而到了嫦娥四号,探测器研制团队在继承嫦娥三号团队的基础上进一步补充了新鲜血液。

嫦娥四号研制现场

为了安全着陆挑战难度搭“鹊桥”

嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花告诉记者,嫦娥四号探测器包括两器一星:月球软着陆探测器(着陆器)、月面巡视探测器(巡视器)、“鹊桥”中继卫星。八院承担了巡视器移动分系统、结构与机构分系统、测控数传分系统、电源分系统、综合电子分系统移动/机构控制与驱动组件、着陆器一次电源分系统的研制任务。

预计明年1月初,嫦娥四号将着陆月球背面,首选着陆区为月球南极-艾特肯盆地。这里是太阳系中已知的最大撞击构造,保存了原始月壳的岩石,具有极高的科学研究价值,是解答关于月球的几个重要问题的关键区域,也被科学家们认为是最有可能出科研成果的地方。

“但是,与嫦娥三号的着陆区虹湾相比,艾特肯盆地地形崎岖,撞击坑大而且分布密集。为了让嫦娥四号安全着陆,它不再像嫦娥三号那样以弧线轨迹缓缓降落,而是要采取近乎垂直的降落方式来着陆。这样做能够避免撞到峭壁。这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了很高的要求。”

此外由于着陆区在月球背面,使得着陆器和巡视器无法同地球直接通信,必须用中继星中继的方式;同时在动力下降过程中,着陆器也不能对地直接通信,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。”张玉花表示。

嫦娥四号研制现场

应对通讯延时“放风筝的嫦娥”有办法

月球的一面永远对着地球,而另一面永远背对着地球。嫦娥四号任务与嫦娥三号任务首要不同点就是探测器降落点由月球正面改为了月球背面,使得探测器与地球的直接通讯信号受到月球遮挡,必须通过“鹊桥”中继星进行信号中转。早在今年5月,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,而随之带来了一个棘手问题就是——地球与巡视器间的通讯时延大大增长了。

804所测控分系统主任设计师汪莹被誉为“放风筝的嫦娥”,她负责的巡视器测控数传分系统在月球表面着陆探测期间承担着巡视器与中继星之间的遥控和数据传输,以及与着陆器之间的频段遥测、数据传输任务。不同于嫦娥三号执行任务时可以在监控屏前实时观察巡视器的状况,此次从指令发出到行动图像传回至少有数分钟的延迟。为此,设计人员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。她告诉我们,“测控数传分系统有5种工作模式,我们在设计中充分考虑了冗余设计,使得各设备形成热备份,大大提高了系统的可靠性。”

嫦娥四号研制现场

睡眠唤醒设计做最可靠能量供给站

月球的重力只有地球的1/6,针对低重力环境,设计团队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,使其具有障碍识别和自主避障能力。在整个任务过程中,为巡视器定义了感知、移动、探测、充电、安全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼七种工作模式,以应对不同工作环境的要求。

一个月夜相当于地球上14天。月夜最低温度可达到零下180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来说,如何依靠自身存储的能量安全度过月夜将是一个很大的挑战。

面对这一难题,研制人员提出了休眠唤醒的概念。当太阳缓慢地升起时,着陆器和巡视器将开始忙碌的十四天工作——着陆器在原地实施科学探测,巡视器则“东奔西走”开始探测。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。

嫦娥四号探测器后续将经历地月转移、近月制动、环月飞行,最终实现人类首次月球背面软着陆,开展月球背面就位探测及巡视探测。随着探索月球的进程不断向前推进,因月球特殊的环境和任务需要,各种新要求、新挑战层出不穷。上海航天人在应对嫦娥系列任务挑战的过程中,实现了多项技术创新和首次应用,为中国探月工程乃至未来畅想中的月球基地提供了先驱经验。面对星辰大海,面对璀璨星空,他们探索的脚步永不停歇。

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