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上海智慧助力“嫦娥”再奔月

嫦娥四号是世界首颗在月球背面软着陆和巡视探测的航天器,它由着陆器、巡视器,以及"鹊桥"中继卫星组成。在整个任务中,随处可见来自上海的强大科技智慧,助力嫦娥四号开启人类首次月背探测之旅。

据介绍,嫦娥四号最初是作为嫦娥三号任务的备份星而与嫦娥三号同时研制的。2013年12月嫦娥三号的成功落月,赋予了嫦娥四号更艰巨的使命,它将实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。

在该项任务中,上海航天承担了嫦娥四号着陆器与巡视器上五个半分系统的研制,共涉及28台设备。为了满足任务的需求,研发人员在原有备份星的基础上,对部分设备的结构和性能进行了改进。

由于嫦娥四号的首选着陆区为月球南极艾特肯盆地,那里地形崎岖,撞击坑大而且分布密集,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。再加上着陆区在月球背面,着陆器和巡视器无法同地球直接通信,只能通过中继星进行上下行操作,这就使得通讯时延大大增加。针对这些难点,设计团队为巡视器定义了感知、移动、探测、休眠等七种工作模式,同时提高其适应地形的能力、通过极限的能力,以及自主工作的能力。 要确保设备能够准确可靠地按照既定的程序一步步去完成。嫦娥四号项目办副主任郑云青说,为了能保证设备在万一有意外的时候,能够应急处理,他们在地面做了大量的验证试验。

嫦娥四号将首次落到月球背面,这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。因此与嫦娥三号相比,嫦娥四号巡视器测控数传分系统不仅要承担与着陆器的数据通信的功能,还要执行与中继星进行遥测和数据传输的任务。嫦娥四号数传分系统单机主管师黄波说,由于中继星毕竟受体积或者质量的限制,发射功率没有办法那么大,因此他们在设计上,就要强化探测器的接收功能,打个比方,就好像两个人聊天时,一个人说话的声音变小了,就只能靠听者提高耳朵的灵敏度,才能听清说话的内容。

一个月夜相当于地球上14天,同时月夜最低温度可达到零下180度。为了让嫦娥四号在月球上安全过夜,上海航天的研制人员还为巡视器开发了休眠唤醒功能。当月夜降临时,巡视器会为自己找好栖身之所开始休眠。一直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上,将其唤醒,再开启又一次勘测,为此,他们大大将嫦娥四号上采用的太阳电池的发电功率,提升了三个百分点,保证在极端温度下还是能够可靠地恢复整个能源的供给。

而中科院上海技物所则承担了本次嫦娥四号任务中,3台光电载荷的研制任务。

位于月球车的正前方、五星红旗正下方的红外成像光谱仪,是嫦娥四号巡视器的"摄像机"。单次获得月表光谱信息只需要11分钟,比嫦娥三号的25分钟大大缩短。

巧妙设计的"镜头盖”,具有防尘、隔热的功能,保护光学组件在昼夜温差极大的月表生存。 而当防尘板打开之后,就可以有效地对月表进行毫米级的光谱图谱数据获取,这个数据为科学家做月表矿物成分的反演分析。

为帮助嫦娥四号,姿态优美地落月,技物所研制的另外两件载荷也十分关键。

激光测距敏感器,从着陆器距离月球30公里时,开始向月面发射激光,测量距离,发挥"导航"的作用。当嫦娥四号距离月表仅100米时,激光三维成像敏感器开启,迅速而准确地搜寻安全着陆地。两者配合,保证着陆器看得准、落得稳。着陆的区域比嫦娥三号还要小,而且悬停的事件非常短,每次的成像时间仅有四分之一秒,可见难度之高。

中科院上海硅酸盐研究所则在着陆器的涂层上面下足了功夫。

"嫦娥四号"的工作环境可谓是"冰火两重天"。飞行时,向阳面和背阳面的工作环境的温度差异很大;登月后又要承受巨大的昼夜温差,月球表面最低时可达零下180度,最高可超过150度,而着陆器与月球车上单机运行温度一般要求在为零下40度到零上50度左右。为此,上海硅酸盐研究所历经多次反复试验,研制了13种涂层和组建,其中的低温多层隔热组件可以实现双向隔热,外部高温时候热量不往里传,外部寒冷时候里面热量又不往外漏,同时还能兼顾防静电等特殊工作环境的要求。

在准备着陆时,"嫦娥四号"还要经历一个极度高温,发动机点火时的最高温度达1400多度,而周边的仪器却要在几十度室温条件下正常工作,上海硅酸盐所研制出了一个高温多层隔热屏,它像"裙子"一样将高温环境包围起来,在发动机与周围的电子元器件之间形成一道屏障,有效地减小了发动机工作对探测器本体温度的影响。

而在上海松江,还有上海天文台的工作人员,通过天马望远镜在为嫦娥四号保驾护航。

天马望远镜的灵敏度很高,通过接收电波,它能观测到100多亿光年外的天体。在嫦娥四号中继星任务中,科学家通过天马望远镜从发射之日开始每日实时观测中继星,提供高精度观测数据,为确保中继星顺利飞抵目标轨道发挥了重要作用。

天马望远镜大幅提升了探月卫星和深空探测器测定轨精度,使负责为探月卫星测轨导航的VLBI观测网的灵敏度提高至1.67倍。而这次任务更加艰巨,是因为嫦娥四号要落到月球背面,因此就需要同时完成两颗星的观测任务,既要对中继星进行定轨,也要对嫦娥四号进行定轨。

由于潮汐锁定效应,月球永远都是一面朝向地球,月球背面是迄今无人涉足过的未知区域。随着今天凌晨发射任务的成功实施,嫦娥四号随后将进入地月转移轨道,史无前例地踏上人类征战月球背面的旅程,也许月球背面的秘密很快就将揭开,让我们拭目以待。

(看看新闻Knews记者:汤铭 张帼霞 见习记者:朱齐越 许多 编辑:薛晨)

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