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揭开月球另一面的面纱——奔向月球背面的嫦娥四号

核心提示: 嫦娥奔月的古老神话在当代中国重新演绎,并不断延伸出新的“版本”。12月8日凌晨2时23分,我国探月工程再次出发——嫦娥四号成功发射。与以往任何一次不一样,嫦娥四号最终将降落在月球背面,实现人类首次月球背面软着陆和巡视探测。“这将是创造历史的重大成就。”中国科学院月球与深空探测总体部主任邹永廖表示。

揭开月球另一面的面纱

——奔向月球背面的嫦娥四号

嫦娥奔月的古老神话在当代中国重新演绎,并不断延伸出新的“版本”。12月8日凌晨2时23分,我国探月工程再次出发——嫦娥四号成功发射。与以往任何一次不一样,嫦娥四号最终将降落在月球背面,实现人类首次月球背面软着陆和巡视探测。“这将是创造历史的重大成就。”中国科学院月球与深空探测总体部主任邹永廖表示。

从20世纪50年代起,人类从未停止探月的步伐,发射到月球的探测器已经有100多个,但至今没有一个在月球背面着陆并进行探测。目前有关月球背面的信息都是通过遥感探测和所拍照片获得的,比较有限。对于人类来说,月球背面一直是一片神秘地带。当我们对月球正面的认识逐渐深入的时候,对另一面却知之甚少,嫦娥四号将第一次近距离地揭开它的面纱。

月球背面的魅力

很多人可能并不知道,嫦娥四号最开始是嫦娥三号的备份。“一旦嫦娥三号有变故,嫦娥四号就顶上。”嫦娥四号探测器飞控试验队副队长、项目顾问谭梅回忆,结果嫦娥三号任务很成功,于是带来另一个问题:下一发射任务(即嫦娥四号)到底怎么做?有科学家建议将探测器落到月球背面,也有人建议落到月球南极。经过论证,最后选择了月球背面。

由于月球的自转周期恰好等于公转周期,因此它的一面总是朝向地球,另一面总是背向地球,人类在地球上只能看到月球的正面,看不到背面。这个看不见的一面,对我们认识月球甚至宇宙很重要。因为无论是物质成分、形貌构造上还是岩石年龄,月球背面和正面都有很大的差异。“从整体上看,月球背面的岩石更加古老。获取更古老的岩石类型等物质成分信息,对我们了解月球的演化过程有很大帮助。”邹永廖说。

根据计划,嫦娥四号将会降落到90%的面积都分布在月球背面的艾肯盆地上。月球分为三大地体,即克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾肯盆地地体。“前两个地体美国、苏联都曾着陆和探测过,只有艾肯盆地地体没有近距离探测过,是一块处女地,在科学上会有很多新的发现。”邹永廖解释,艾肯盆地是整个太阳系固体天体中最大最深的盆地,直径大概2500公里,深度约12公里,对其进行探测可以获取月球深部物质的信息。

此外,艾肯盆地目前被科学界认为是39亿年前撞击形成的。在太阳系形成的46亿年历史里,撞击非常多,39亿年前正好是撞击的峰值。“按照常规理论,撞击密度、频度、强度应该是越早越大,为什么这个峰值出现在39亿年而不是更早?到艾肯盆地开展精细探测,也许可以解开39亿年撞击峰值这个科学之谜。”邹永廖很期待。

到月球背面还有一个重要原因,即开展低频射电天文观测。“这一目标是天文学家梦寐以求的,可以填补射电天文领域上在低频观测段的空白。”邹永廖解释,由于地球电磁环境的原因,在月球正面开展低频射电观测效果很不好。月球背面的电磁环境非常干净,为开展空间科学领域最前沿的低频射电天文观测与研究提供了理想场所。

落月球背面不容易

“一把就直接落到月球背面”,这是当时嫦娥四号任务确定后大家作出的决定。谭梅用了一个词来形容这个决定——“艺高胆大”。因为,要一次就实现在月球背面着陆和巡视探测,并不容易。

首先,必须确保嫦娥四号能被准确地送到预定轨道。嫦娥四号要发射到远地点约42万公里的轨道,比嫦娥三号38万公里的轨道更远,对火箭入轨精度的要求也更高。中国航天科技集团一院火箭系统总指挥金志强介绍,嫦娥四号只有连续两天的发射窗口(最佳发射时间),这两天里每天有两个发射窗口。一般的卫星发射窗口大概是一个小时甚至更长时间,但嫦娥四号一天里的发射窗口只有3分钟,其中第一个发射窗口有效宽度2分钟,46分钟后进入第二个发射窗口,窗口宽度仅1分钟,必须在这两天的3分钟内发射。“如果第一次没有打上去,必须拆卸检查,要花掉不少时间,肯定会错过剩下的窗口期。”

为了确保准时发射和准确入轨,科研人员对火箭的可靠性进行了改进。与嫦娥三号相比,嫦娥四号的火箭一共进行了65项技术改进,分布在发动机、控制系统、测量系统、箭体结构、增压输送系统、发射支持系统等13个箭上和地面分系统。而且,针对窄窗口发射、冬季发射等特征开展专题风险分析,制定了520项预案。

进入预定轨道,最终能否准确降落到月球背面并开始巡视探测,又是一个难题。嫦娥四号在月球背面软着陆,但将受月球自身遮挡,无法直接与地球进行测控通信和数据传输。也就是说,我们与嫦娥四号见不着面、对不上话。怎么办?

解决办法是建一个“通信中继站”,让嫦娥四号的通信数据通过中继站发往地球。不过,中继星的位置必须处于地球与月球引力平衡的平衡点,即地月拉格朗日L2点,此前国际上没有过发射和运行在该位置的卫星。但中国航天人总是能迎难而上。2018年5月,嫦娥四号中继星成功发射并进入环绕L2点的使命轨道,它有一个很形象的名字——“鹊桥”,即为地月通信搭建桥梁。

有了“鹊桥”,嫦娥四号可以放心地登上月球背面。在嫦娥四号动力下降以后,地面无法“看到”着陆器或者巡视器,各项测控工作都将通过中继星来完成,包括数据接收、状态监视以及对月球车在巡视过程中的操作控制等。

期待新的科学发现

如果一切顺利,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。当落地的那一刻,我们期待什么?

我们为嫦娥四号选择了月球背面这样一个目的地,这个目的地告诉了我们要做什么、期待什么。根据计划,嫦娥四号的科学任务主要是开展月球背面低频射电天文观测与研究;开展月球背面巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构探测与研究;试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。

专家表示,通过低频射电天文观测,我们可以研究宇宙起源和星球起源等;对月球低质的探测和剖析,我们可以进一步认识月球的演化细节,甚至发现新的岩石、物质类型等;对月表环境里的中子辐射剂量、中性原子等的探测,我们可以研究宇宙粒子辐射和太阳风,为开发月球和载人登月做准备,还可以寻找水资源。

当然,嫦娥四号的科学目标远不止于此。“对于任何一个地外天体而言,探测其空间和表面环境、地形地貌、物质成分、内部结构等,是远远不够的,还应从比较行星学的方法论出发,系统地开展对地球、火星、月球等天体的比较研究,这样才能更好地认识它们。从这个意义上讲,嫦娥四号对后续深空探测有重要意义。”邹永廖说。

  (本报记者 陈海波)

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责任编辑:石卉