揭秘嫦娥四號月背軟著陸!地月「飛鴿傳書」是咋回事?如何完成...

2020-12-05 上觀

嫦娥四號開啟人類探月徵程新篇章!1月3日嫦娥四號探測器首次在月球背面成功軟著陸,傳回世界首張近距離拍攝的月背影像圖。嫦娥四號軟著陸背後有哪些不為人知的秘密?上觀新聞帶您一一解讀背後的高科技。

嫦娥四號探測器在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內成功軟著陸。


月背、地球通信如何實現?

 

隨著嫦娥四號在月球背面的成功軟著陸,我國也成為世界上首個建立月背與地球中繼通信的國家。

 

深空探測任務中難度最大的就是如何確保遠距離數據通信鏈路的可靠建立,實現太空飛行器和地面的實時通信聯絡,這也是世界各國都在致力解決的深空探測關鍵核心技術。嫦娥四號探測器要到月球背面安家落戶,首先遇到的就是它與地球不僅相隔遙遠的地月距離,而且還要隔著通信信號無法穿透的月球球體。

 

「搭橋」發射中繼衛星,實現「飛鴿傳書」是較為完美的解決方案。2018年4月24日,嫦娥四號中繼衛星被正式命名為「鵲橋」。「鵲橋」不大,整個重量才約448公斤,衛星本體橫向尺寸1.4米*1.4米,高度才850毫米,加上天線3米多。

嫦娥四號中繼星「鵲橋」成為世界首顆運行在地月L2點Halo軌道的衛星。

由於嫦娥四號要在月球背面靠近南極一個叫馮·卡門撞擊坑的地方軟著陸,科技人員決定把「鵲橋」架在「地月系統拉格朗日L2點」上,這個位置處於地球和月球兩點連線的延長線上,且在較小的天體也就是月球一側,在這個位置「鵲橋」既可以看到地球,又可以看到月球背面,因此,可以同時與地球和月球背面進行信息和數據交換,完成「中繼」任務。

 

當然,如果中繼星「守」在地月拉格朗日L2點不動,由於受月球遮擋,仍然「看不見」地球。所以,設計師為其設計了Z向振幅約1.3萬千米,繞地月拉格朗日L2點的Halo軌道。「鵲橋」在這一軌道上做擬周期運動,既能「看見」地球,又能「看見」月球,可以同時與地球和月球背面進行信息和數據交換,通過定期軌道控制來保持軌道的穩定性,實現對嫦娥四號著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。


「鵲橋」首戰成功,但後面還將面臨更重的任務,為兩器分離、互拍以及巡視器探測提供通信支持。


值得注意的是,除了搭建通信橋梁,「鵲橋」還嘗試為空間科學試驗「牽線」,雷射測距試驗是其一。目前,人類歷史上最遠距離的雷射測距試驗是依據1969年阿波羅11號在月球上放置的一套雷射測距反射鏡陣列進行。如今,在距離地球約40多萬公裡的地月L2點附近,「鵲橋」將嘗試把遠距離雷射測距的紀錄再度延伸。 「鵲橋」上還搭載了浙江大學研製的兩臺相機,用來拍攝天線展開的過程,若幸運,人們還會看到其拍攝的地月彩色合影。

 

嫦娥四號如何「盲降」月球背面?

 

嫦娥四號成功實現在月球背面的軟著陸,也再次把我國太空飛行器制導、導航與控制(GNC)技術提升到新高度。談及落月過程,嫦娥四號著陸器GNC系統主任設計師程銘說:「雖然攻關的過程艱苦卓絕,但看著美妙的落月過程,我們很自豪!」GNC究竟是一種怎樣的存在?又是如何助力嫦娥四號實現「盲降」的?

 

GNC系統負責嫦娥四號著陸器和巡視器組合體奔月、環月、落月的整個過程的控制,特別是臨近月球時的「踩剎車」和落月的過程,沒有重來的機會,對系統的可靠性有著極高的要求。相較於嫦娥三號,嫦娥四號的落月有著更高的難度,難度主要來自於「月球背面安全著陸」。究其原因,一是月球背面崎嶇不平。嫦娥三號月球正面著陸區地形起伏僅800米,而嫦娥四號月球背面著陸區地形起伏達到6000米,簡單說來,嫦娥三號落的是平原,嫦娥四號去的是山區。二是落月過程地球方向不直接可見,所有的信息傳輸都需要在中繼星「鵲橋」 的中轉下完成,這無疑大大增加了落月任務的風險。因為整個落月過程由GNC系統自主操控,加之回傳畫面的延遲,對地面人員來說,這個過程近乎是「盲降」。

嫦娥四號探測器動力下降過程示意圖。

1月3日10時15分,經過和中繼星的中繼鏈路測試,月球軌道修正,近月點變軌等一系列的準備後,嫦娥四號終於如期等來了落月的指令,激動人心的時刻開始了。首先是掉頭,做好下降準備,然後按照GNC系統的指揮,在距離月面15公裡的高度「定時定量」啟動發動機開始快速減速,在邊往前飛 邊下降的同時,嫦娥四號快速調整姿勢調整速度,在距離月面約6公裡的高度時調整至垂直下降。專家表示,這個垂直就是和嫦娥三號最大的不同,因為這裡太崎嶇,如果水平方向持續移動就會讓著陸器不能準確測量自己所處的高度。然後繼續下降,待發現下方100米就是月面時,為了保證落地時每隻腳都不踩到石頭上、踩到坑裡,嫦娥四號稍稍歇了歇腳,待自己找好著陸點後才緩緩地飄了下去。


整個過程雖然驚心動魄,但實在是順利得幾乎完美。那麼,大家想過萬一嗎?萬一不順利呢?嫦娥四號的創造者們當然對不順利也有多手的準備,這些準備都融入了嫦娥四號的GNC系統,它更自主、更健壯、更智能,當然也更複雜。


比如為了防止在最緊張的、不可逆的月球背面著陸過程中「鵲橋」出現問題影響數據的上傳,GNC系統設計了延時數據注入功能,就是提前把要注入著陸器計算機的數據發送到著陸器上的某個地方暫存,這個數據包是帶有時間標籤的,待到著陸器上的時間和該標籤相同時,數據便自動注入,如此,原本賴以生存的通過「鵲橋」的實時數據注入就淪為了備份手段。


還有,系統可以「全程自主故障診斷與重構」,就是萬一真的發生了故障,系統可以隨時自己給自己進行「診斷」,找到病灶並剔除病灶,通過身體各部分功能的優化再組合,確保機體整體功能的正常,確保落月過程的萬無一失。


著陸器GNC圓滿完成了自己的使命,但嫦娥四號任務還在繼續,後續還有著陸器、巡視器的兩器分離,月球車的月面就位探測、巡視探測,月晝月夜的交替等等挑戰,具體考驗的就是嫦娥四號巡視器GNC系統的智慧了。


著陸瞬間如何不讓嫦娥四號「閃著腰」?


從距離月面幾十公裡的高度一直到著陸月面,嫦娥四號如何才不會「閃著腰」?


面對體重超過1噸的嫦娥四號,為實現軟著陸,中國航天科研人員在著陸器上安裝了反推發動機。但能否經受住最後的「一落」,著陸器的四條腿至關重要。這四條腿的學名叫「著陸緩衝機構」。它能夠利用緩衝功能,將嫦娥四號著陸月面瞬間所產生的衝擊有效吸收,防止巨大的衝擊力對嫦娥四號安裝的重要儀器設備造成損傷。


為確保良好的緩衝,科研人員為四條腿了配備了兩個秘密武器。一個是「大腳掌」,這是與月球表面直接接觸的部位,它長得和人的腳掌完全不同,是圓的,看上去像一個大臉盆。說它很大,是因為它的直徑差不多是普通人腳長的兩倍。為什麼要設計成盆狀呢?這種盆狀結構可以更好地防止嫦娥四號著陸月面時摔倒。


為了讓這個大腳掌足夠強壯,內部使用了長得像蜂窩一樣的材料,在中央還埋藏著一個長得很特別的金屬結構,像足弓一樣,能夠將衝擊力有效分散開。同時,在這個「足弓」內部還填充有更加緻密的緩衝材料,能夠將衝擊能量有效吸收,起到更好的緩衝作用。

 

2018珠海航展上展出的「嫦娥四號」月球探測器模型

 
第二個秘密武器就是主腿和副腿。每條著陸腿都包含一個主腿和兩個副腿。兩種腿各有分工,各司其責。在著陸前,副腿推著主腿向外側展開到規定角度並鎖定,然後主腿就負責在著陸時安全地支撐住嫦娥四號,將各種衝擊力傳遞、吸收。副腿也會輔助主腿緩衝巨大的衝擊力,並且使落月更穩定、安全。


月球很遠,要想飛得更快,體重要儘可能輕。為了減重,主腿和副腿的外殼是又長又薄的圓筒,為了確保圓筒的強度,設計師優選了一種強度很高的鋁合金材料,但是這種材料在加工時十分容易變形,而且越細、越長、越薄的圓筒就越難加工。另外,為讓幾個腿精準安裝,兩種腿的尺寸都有著很高的精度要求,既不能成了「羅圈腿」也不能「長短腿」,打造又直又等長的腿,科研人員也是煞費苦心。

 

四臺CMOS相機將帶來哪些新發現?


隨嫦娥四號登月的,還有四臺神秘的小相機,包括三臺監視相機和一臺降落相機。這四臺CMOS相機如同一個小團隊,在嫦娥四號到達月面之前,便做好了全方位的分工和準備,拍的拍,攝的攝,錄的錄,傳的傳,隨時待令為全球開啟一場「月背」探索現場的視覺盛宴。


降落相機——「直播」降落全程。嫦娥四號著陸器將要降落在月球背面的艾特肯盆地(SPA盆地),SPA盆地是月球上規模最大、最古老的撞擊盆地,對它的研究有可能揭露下月殼甚至上月幔的物質狀況,因此它是研究月球深部物質組成的重要窗口。降落相機安置於著陸器的底部艙內,在著陸器降落過程中,降落相機以較高的幀頻進行拍照,獲得大量真實的月球表面信息,直觀地反映月球表面地貌特徵和區域地質情況,提升人類對月球的認識。

 

嫦娥四號探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像。

 

就在昨天,嫦娥四號降落的過程中,降落相機開機工作,在下降過程中拍攝了多幅月球背面照片。從昨天傳回的照片看,降落相機光學圖像可獲得與人的視覺習慣相近的月面景觀,其所傳送的圖片生動如實地描述著陸器降落的全過程,給人以身臨其境的視覺衝擊感。


監視相機——「監視」兩器分離。嫦娥四號監視相機共有三臺,主要任務是對巡視器與著陸器的釋放分離過程進行全程監視,實現兩器解鎖、巡視器駛離連接支架、臍帶電纜脫離、行駛至轉移機構、釋放分離等關鍵過程的監測,提高探測器系統月表活動的展示度。同時,它們也可以為釋放分離過程中每一個指令的執行情況提供直觀的視覺信息,並對下一個指令的執行風險提供評估依據。巡視器釋放完畢後,裝在著陸器側面的監視相機可定時拍攝不同太陽高度角下的月面圖像,並對巡視器月面工作情況進行監視。

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