澳门新葡亰平台官网揭开月球另一面的面纱——奔向月球背面的嫦娥四号

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千百年来,月亮带给人们无尽想象,寄托着人们的“悲欢离合”。人们尝试通过肉眼或者机械镜头接近它,美国人甚至成功踏上了它的领地,但“月之暗面”的谜底从未有人揭晓。
由于月球自转周期和公转周期相等,加上被地球潮汐锁定,地球强大的引力让月球总是一面朝向地球。所以我们在地球上只能看见月球的正面,而背面总是看不见。
虽然难以看到,月球背面的科学探测意义却很重大。那里避开了来自地球的大量电磁干扰,处于一种电磁波“宁静区”。在这样“干净”的电磁环境中,探测器可以接收到更多微弱信号,例如宇宙形成早期发出的短波。
人类通过多次环月探测发现,月球背面分布着大大小小的天体撞击坑。这片神秘区域到底经历过怎样的天体活动?
科学家分析,这些撞击坑有的在几十亿年前生成。能否通过它们找到宇宙起源的蛛丝马迹?
嫦娥四号在月背成功着陆后,有望为解开这些谜题迈出关键一步。

资料图:亮相2018年第12届中国国际航空航天博览会展会现场的月球探测器模型。(千龙网军事频道记者
马群 摄)

揭开月球另一面的面纱

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2018年12月8日2时23分,嫦娥四号探测器在西昌卫星发射中心成功发射,它的目标是月球背面。后续经历地月转移、近月制动、环月飞行之后,嫦娥四号探测器将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。

——奔向月球背面的嫦娥四号

探月工程嫦娥四号任务着陆器

探索月球背面有何意义?嫦娥四号将开展哪些科学研究?我国的探月工程走过了怎样的历程?本报记者采访了相关专家。

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月球的背面有什么
至今,还没有宇航员或月球车登上月球的背面。对于月球背面的情况,我们只能通过苏联和美国探测器传回的照片进行推断。
无论从物质成分、形貌构造,还是岩石年龄上对比,月球正面和背面都有很大的差异。
如果把月球背面比作人的“面孔”,那这张“面孔”并不漂亮——那是一张“麻子脸”。月球背面陨石坑的数量比月球正面要多得多,放眼望去随处可见。
从形貌构造上看,月球背面陨石撞击坑的密度明显大于正面。密密麻麻的陨石坑似乎能够说明,月球背面由于毫无遮拦地暴露在太空里,因而遭遇了大量天体的直接撞击。
经年累月,月球就像一个“盾牌”,为地球挡住陨石,“守护”地球的安全。
月球正面相对平坦,地势起伏主要以绵延的山峦为主。相比之下,月背的“皱纹”更多,布满了沟壑、峡谷和悬崖,地势更加复杂险峻。
这张“面孔”还有几处比较大的“痤疮”。暗斑中的物质与月面的普通物质相比有很大的不同。至于这些物质的成分,正是嫦娥四号此次探测的任务之一。
月球背面还是个“厚脸皮”。它的月壳从整体来讲比正面要厚。导致月壳厚度不一样的原因众说纷纭,目前还是天文学界的未解之谜。
不过,“厚脸皮”为月球背面的“白肤色”提供了佐证。照片显示,月球背面巨大的陨石坑都呈现出白色,好像从来没有暗色的熔岩从上面流过。
科学家研究认为,月球正面的月壳很薄,暗色的熔岩很容易破缝流淌在表面。由于月球背面的月壳很厚,熔岩无法溢出,所以颜色比正面要“白皙”得多。
月球上共有22个月海。其中19个月海都分布在月球正面,只有莫斯科海、智海、东海这3个很小的月海分布在背面。
从成分上看,月球正面的月海玄武岩覆盖面积约占正面的60%,而背面几乎都是高地斜长岩。从地质年龄上看,月球背面也比月球正面要古老。月球背面的古老地层中,也许蕴藏了月球、地球甚至太阳系形成的秘密。
此外,月球背面还具有独特的电磁环境。由于受到月球本身的遮挡,月球背面几乎不受来自地球的磁干扰。这使得月背处于一种非常“干净”的磁环境中。
与此同时,月球背面也完全暴露在太阳风和各种宇宙射线之下。这既是对着陆月球背面的探测器的巨大考验,也是未来太空观测所需要的独特观测环境。
着陆月球背面将面临哪些挑战
由于月球背面的独特性,着陆月球背面并非易事。从上世纪50年代开始,人类向月球发射了100多次探测器,但还从没有探测器在月球背面着陆开展就位探测。
1962年4月26日,美国“徘徊者4号”探测器撞击月球背面。它成为首个在月球背面硬着陆的探测器,但并未传回任何数据。
嫦娥四号将面临比以往探月任务更大的挑战。由于月球背面山峰林立,陨石坑密布,很难找出大一些、平坦一些的地方。
相对于嫦娥三号着陆的虹湾地区,嫦娥四号着陆器在凹凸不平、面积狭小的地方着陆,需要具有比嫦娥三号更准确的着陆精度。
精准着陆需要快速高效的深空测控通信系统。由于月球正面的遮挡,月球背面没有通信信号,无法与地球实时通信。因此,嫦娥四号与地面的通信联络要由“鹊桥”中继卫星担任,借助“架设”在地月拉格朗日L2点的中继卫星,实施与地面的通信信号“接力”。
落月过程,地球上无法直接看见,所有的信息都需要在中继星“鹊桥”的中转下完成传输,这无疑大大增加了落月任务的风险。因为整个落月过程由我国航天器制导、导航与控制系统自主操控,加之回传画面的延迟,所以对地面人员来说,嫦娥四号的着陆过程近乎是“盲降”。
由于月球背面崎岖不平,嫦娥四号着陆成功后,巡视器行进过程中同样将要面对很多挑战。
据了解,嫦娥三号月球正面着陆区地形起伏仅800米,而嫦娥四号月球背面着陆区地形起伏达到了6000米。简单来说,嫦娥三号落的是平原,嫦娥四号去的是山区。
为了使嫦娥四号巡视器能在月球背面正常开展巡视探测,科研团队在嫦娥三号的基础上,对巡视器移动能力进行了强化。
特别是在巡视器应对意外状况方面,科研人员开展了多项系统试验,并把每一个试验变化分解成多个环节,逐一开展详细验证。他们对石块落入车轮内部、驱动机构频繁启停,以及巡视器极限移动等状况均进行了逐一测试,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,并形成了应对方案。
为了提升嫦娥四号巡视器的通过性、机动性以及地形适应性,科研人员还提升了巡视器的“智能”水平和“自主性”,使其具有一定的障碍识别和自主避障能力。
此外,嫦娥四号还将面对月球背面更加猛烈的太阳风和宇宙射线的冲击。为使嫦娥四号经受住这些考验,科研人员对嫦娥四号的相关电子元器件都进行了强化。

月球背面有什么

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。

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嫦娥四号是嫦娥三号的备份星。2014年,嫦娥三号任务圆满完成后,国防科工局牵头组织开展了嫦娥四号任务实施方案调整的论证工作。综合考虑国际前沿、科学价值、经济和技术可行性等因素,最终确定了月球背面软着陆和巡视探测的总体方案。

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。

为什么要选择在艾特肯盆地着陆
此次嫦娥四号任务,将实现人类探测器首次在月球背面软着陆和巡视。着陆区域——艾特肯盆地,是月球背面一座巨大的撞击陨石坑。
科研人员正是出于一系列精密的科学研究考虑,将嫦娥四号的着陆地点选在艾特肯盆地。欧洲人很早就提出想去艾特肯盆地进行就位探测的设想,但由于各种原因没有实施。
根据目前的划分,月球分为三大地体,即克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾特肯盆地地体。前两个地体,美国、苏联都着陆巡视探测过,只有艾特肯盆地地体没有人类探测器近距离就位探测过。
因此,就近距离巡视探测而言,这块区域目前属于“处女地”。嫦娥四号着陆在这一区域,在科学上必然会有很多新的发现。
在整个太阳系固体天体中,艾特肯盆地是最大最深的盆地。这个盆地直径大概2500公里,深度约12公里。
一个深度约12公里的地质剖面,是非常好的研究对象。嫦娥四号在艾特肯盆地开展探测,就可以获取月球深部物质的信息,相信会在科学上有很大的惊喜。
总体上,月球背面的岩石更加古老。从时间维度上,若我们获取更古老的岩石样本,对我们了解月球的演化过程会有很大的帮助。
天文学家一直梦想能够进行低频射电天文观测,更深入地探索宇宙奥秘。然而,由于地球磁场和大气的屏蔽作用,在地面上无法开展低频射电天文观测。在月球正面开展低频射电天文观测也受到地球磁环境的干扰,观测效果不佳。而磁环境非常“干净”的月球背面,则是开展低频射电天文观测的绝佳区域。
嫦娥四号着陆器在月球背面软着陆后,将开展月基低频射电天文观测研究,预期还可以获得一批原创性、领先世界的科学成果。这些成果将填补射电天文领域在低频观测段的空白,促进对月球早期演化历史的新认知,对研究地球的早期历史也有重要价值,从而推动月球天文观测科学研究的深入。
我们都知道,月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源,开发和利用月球资源是人类进行月球探测的源动力之一。
虽然月球背面与正面一样,都存在着含量丰富的矿产资源,但由于地球遮挡了侵袭月球正面的太阳风,月球背面毫无遮拦。因此,科学家估计月球背面的月海中,可能会有比正面浓度更高的核聚变材料氦-3。
通过嫦娥四号对艾特肯盆地的地形地貌、矿物组份、巡视区浅层结构、地幔物质等进行科学探测与研究,将为月球资源的开发利用提供极有价值的第一手资料,推动月球资源开发利用研究进程。
任务艰巨,使命光荣。嫦娥四号实现在月球背面的软着陆,将是中国航天创造的又一个人类首次。任务的成功将为建设航天强国迈出重要一步,同时也将把我国航天技术提升到一个新的高度。

为何要去月球背面?由于月球绕地球公转的周期与月球自转的周期相同,所以月球总有一面背对着地球,这一面称之为月球背面。因此,人类在地球始终无法看到月球的背面,虽然此前已经发射了100多个月球探测器,其中还包括65个月球着陆器,但仅有不载人的环绕月球轨道器和载人的阿波罗号曾看到过月球背面。中国科学院月球与深空探测总体部主任邹永廖告诉记者:“从上世纪50年代开始,发射到月球的探测器和轨道器已经有100多个。但是从着陆器探测来说,月球背面一次都没有。嫦娥四号首次在月球背面着陆和就位巡视,这是创造历史的重大成就。”

月球背面的魅力

据了解,此次嫦娥四号着巡组合体着陆区,位于月球背面的艾特肯盆地。邹永廖介绍,月球分为三大地体,即克里普岩地体、斜长高地岩地体、艾特肯盆地地体。“前两个地体都已经被巡视探测过,只有艾特肯盆地地体没有被近距离巡视探测,在科学上会有很多新发现。而且月球背面的岩石更加古老,如果能够获取更古老的岩石类型等物质成分信息,对我们了解月球的化学成分演化过程有很大帮助。”

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。

专家表示,艾特肯盆地是目前发现的太阳系固体天体中最大最深的盆地,直径大约2500公里,深度约12公里。其90%的面积都分布在月球背面,只有一小部分在月球正面,具有很高的科研价值。

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。

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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,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。

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