去往从未踏足过的地方,需要点勇气
发布时间:2019-01-04
出品:科普中国
制作:haibaraemily、澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  北京时间128日凌晨2:23,嫦娥4号月球探测器在西昌卫星发射中心,由长征3号乙改型(CZ-3B)运载火箭发射升空。 

官宣了(图片来源:@中国航天科技集团) 

  201913日上午10:26,经过26天的飞行,嫦娥4号月球探测器顺利着陆在月球背面东经177.6°,南纬45.5°的预选着陆区中,成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器,并通过鹊桥中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。这是中国探月工程“绕、落、回”计划的第二阶段,也是继5年前的嫦娥3号任务成功完成之后我国深空探测史上的新篇章。 

  当日下午15:07,北京航天飞行控制中心通过“鹊桥”中继星“向嫦娥4号发送两器分离的指令。22:22,月球车顺利踏上月球背面!月球车的名字也同步揭晓——玉兔二号将接替玉兔号月球车,努力成为”看星星最多的兔子“! 

玉兔号vs玉兔二号(图片来源:探月工程) 

  嫦娥4号任务包括一枚着陆器和巡视器(月球车)的组合体 

嫦娥4号着陆器(上左)和月球车(上右)的模型(图片来源:航天科技集团) 

  着陆之后的嫦娥4号会打开太阳能电池板,将天线指向中继星传回讯号,并于几个小时后释放月球车。我们即将再次看到着陆器和月球车历史性的两器互拍 

  20131215日,嫦娥3号落月6个小时后,着陆器的地形地貌相机和月球车玉兔的全景相机互拍 

(图片来源:新华社) 

  这是13日嫦娥4号着陆器的降落相机拍的 

(图片来源:CLEP 

  这是13日嫦娥4号着陆器的监视相机C拍摄的着陆点南侧月球背面图像 

月球车将朝这个方向驶向月球表面(图片来源:CNSA/CLEP[1] 

    

  难以“触及”的月之背面 

  本次嫦娥4号任务计划着陆在月球背面,这是人类首次尝试着陆和实地探测月球背面,也将是对我国轨道控制、着陆和通讯技术的巨大挑战。 

  由于被地球的引力锁定(也就是“潮汐锁定”),月球始终只有相同的一面朝向地球,这导致地球上的我们永远只能看到月球的正面。不过,需要注意的一点是,“月之背面”并不是“月之暗面”,事实上,月球的背面和正面都会轮流被阳光照射到。 

(图片来源:作者制作) 

  人生代代无穷已,江月年年只相似。 

任时空流转,月亮的脸从来不曾改变(图片来源:[2]、维基) 

  尽管自1959年苏联的月球3号传回了第一张月球背面的影像以来,人类已经派出上百艘探测器在环绕月球飞行的过程中用各种遥感手段把月球背面的影像、光谱、成分、重力等各种信息“看”了个清清楚楚 

第一张月球背面影像。左边的暗色区域分别为危海、史密斯海、界海;下方为南海;右上为莫斯科海(图片来源:维基) 

  但着陆探测又是另一回事了。 

  确实,自1958年开始尝试探索月球以来,人类和无人探测器已经成功着陆过月球数十次,总计有20台着陆器,6台月球车,12个宇航员安全上过月球表面这块不算遥远但依然神秘的土地,其中包括我国201312月成功着陆的嫦娥3号着陆器玉兔号月球车 

  但这些着陆任务全部位于月球正面 

人类目前为止所有成功的月球软着陆任务,包括美国的勘测者号(Surveyor)系列,苏联的月球号(Luna)系列和美国的阿波罗号(Apollo)系列。而月球自1976年后再一次迎来来自地球的着陆器,就已经是近40年后的嫦娥3号了(图片来源:维基) 

  到目前为止,月球背面还是人类着陆探测史上的空白 

(图片来源:作者制作) 

    

  前路险阻,“鹊桥”先行 

  着陆背面相比于正面有很多困难,但最重要的一条是通讯障碍。由于被地球潮汐锁定,月球背面的探测器无法和地球直接通讯。这也是之前美国和苏联数个月球着陆任务都安排在月球正面的一大原因。 

  为了配合嫦娥4号挑战月球背面,我国已在半年前(521日)预先发射了一枚通讯中继卫星“鹊桥”,作为接下来的着陆器/月球车与地球进行通讯的“桥梁”(详见嫦娥4号中继星“鹊桥”发射成功:一桥飞架南北,天堑变通途)。 

今年珠海航展中展出的1:3鹊桥模型(图片来源:作者制作) 

  这枚通讯中继卫星已于614日顺利抵达预定的地月拉格朗日L2晕轨道(halo轨道),就等着为嫦娥4号的两位主角服务了。 

(图片来源:吴伟仁等) 

  但困难的另一面,也是机遇。由于没有地球大气层的干扰,月球背面着得天独厚的天文观测环境,本次嫦娥4号也会充分利用月球背面的观测优势。 

    

  嫦娥4号的奔月之路 

  2018年128凌晨2:23,嫦娥4号月球探测器在西昌卫星发射中心,由长征3号乙改型(CZ-3B)运载火箭发射升空。 

长征3号乙改型(CZ-3B)运载火箭搭载嫦娥4号发射升空(图片来源:新华网) 

  12月121645分,经过约110小时的地月转移轨道后,嫦娥4号探测器成功实施近月制动,进入了近月点约100公里的环月轨道。这段路程比花费了112个小时的嫦娥2号、3号和鹊桥号快了2个小时,而且由于轨道准确,预定的三次轨道修正最终只执行了一次,第三次和第一次都取消了。 

  不过,由于嫦娥4号入轨的时候是背面着陆区的夜晚(月球上一个白天是14个地球日,一个夜晚也是14个地球日),所以等到了夜晚过去清晨来临,才开始准备着陆。在这段等待期里,嫦娥4号也没闲着,而是展开了一系列准备工作:包括2次环月轨道修正,与“鹊桥”中继星进行了4次中继链路测试,开展了激光测距、三维成像、微波测距测速等导航敏感器在轨测试等等[3] 

  12月30855分,嫦娥4号探测器在距月面平均高度约100公里的环月轨道上成功变轨,降轨进入近月点高度约15公里、远月点高度约100公里的环月轨道,顺利进入预定的月球背面着陆准备轨道[3] 

    

  嫦娥4号着陆在哪里? 

  嫦娥4号着陆的地方位于南极-艾特肯盆地(简称SPA)中的冯·卡门撞击坑内,是一个盘踞月球背面南半球的巨型陨石坑。 

盘踞月球南半球的SPA盆地,红圈是盆地的内外环大致边界,外环标志着SPA盆地的延伸范围。(图片来源:作者根据LROC WAC影像和[4]绘制) 

  对南极-艾特肯盆地的认识变化,贯穿了人类短短几十年的月球探测史。 

  早在20世纪60年代初甚至更早,地基天文观测者们就已经注意到月球背面南半球很可能有一个大型盆地[4](我们通常把直径300公里以上的撞击坑叫做撞击盆地),因为它的一小部分有时候会从正面观测到一点痕迹。 

  但直到1968年苏联的Zond 6号探测器传回了这一区域的照片,人们才最终确定了这一区域的存在[6,7] 

  再直到1994年的克莱门汀号探测器,人们才从地形数据中真正认识到了SPA盆地的轮廓,还告诉我们这里略微有一点富铁。 

克莱门汀时代认为的SPA盆地范围。越红代表越高,越紫代表越低(图片来源:NASA 

  再然后,1998年月球勘探者号获取的矿物成分分布数据又告诉我们这里不仅富铁,而且富钍,而且SPA盆地其实并不是一个正圆,而是一个2400×2050公里的椭圆。也就是说,当年那个小天体是以一个贴近地面的小角度倾斜撞击过来的。 

SPA盆地的内外环边界,以SPA盆地的中心为图像中心(图片来源:[2] 

  不过,之所以叫南极-艾特肯盆地,并不是表示这个盆地位于南极的意思,事实上,SPA盆地的内环中心大约在53.2°S168.9°W,距离南极还是很有一段距离的。 

  南极-艾特肯盆地是以盆地边缘两头的两个地方——月球南极+艾特肯撞击坑的名字联合命名的 

 

(图片来源:LRO 

  这种命名方式似乎是20世纪70年代末期行星地质学家们命名盆地的一种“时尚”,事实上,那段时间出产的地质图里,除了南极-艾特肯盆地之外,还诞生了孟德尔-里德伯盆地(翻译一下就是“一个被孟德尔撞击坑+里德伯撞击坑圈定范围的盆地”)、库仑-萨尔顿盆地、穆图什-佛拉哥盆地、弗罗因德利希-沙罗诺夫盆地等多个类似盆地的命名。 

  所以说,“南极-艾特肯盆地”这个词是不能拆开单用的,“南极的艾特肯盆地”之类的表达也是不对滴 

  南极艾特肯盆地对我们认识月球有不可替代的重要和特殊意义。这也是本次嫦娥4号选择这个区域的原因。 

  首先是 

  SPA盆地是太阳系中目前已知的最大的撞击盆地之一。它可以帮助我们了解太阳系中的超大型撞击事件的过程是怎样的,会带来什么。 

  其次是 

  SPA盆地深达13公里,是月球上最深的撞击盆地。这意味着当年的撞击事件很可能挖出了月壳深处甚至月幔的物质,这些挖掘出的物质,会是我们研究月球内部成分的钥匙。 

  然后是古老 

  据估计,SPA盆地形成于月球的前酒海纪(39.2亿年前),是月球上最古老的大型撞击盆地之一。想要建立月球45亿年的漫长历史,SPA盆地是一个至关重要的环节。 

    

  欲善其事,先利其器——嫦娥4号带了什么仪器? 

  作为嫦娥3号的备份机,嫦娥4号不管是外形还是携带的科学仪器都很大程度上继承了嫦娥3,两者都由一台着陆器和一台巡视器(月球车)组成,乍一看简直傻傻分不清楚。 

(图片来源:CNSA 

  不过,如果知道它们实际带了什么科学仪器,就很好分辨啦! 

  嫦娥3号和嫦娥4号都各自携带了8个科学仪器,嫦娥4号根据实际探测目标和探测环境的变化对携带的科学仪器做出了新的调整[8] 

(图片来源:作者制作) 

  嫦娥4号在嫦娥3号的基础上保留下来的仪器们主要用于拍摄着陆过程和着陆区附近的照片(着陆相机、地形地貌相机、全景相机)、探测月球车沿途的矿物成分(红外成像光谱仪)和浅表层结构(测月雷达);而替换的新仪器们(低频射电频谱仪、月表中子及辐射剂量探测器、中性原子探测器)则侧重于利用月球背面得天独厚的天文环境进行探索性观测。 

  尤其是低频射电频谱仪,它一方面将充分利用月球背面无干扰的低频射电天文环境,填补0.1~40 MHz范围内的射电观测空白;另一方面还会与鹊桥中继卫星上携带的我国与荷兰合作研发的低频射电探测仪(NCLE)协同观测,互为验证和补充。 

  这既是此次任务的新尝试,也是中国与其他国家合作探测、共享数据的重要里程碑 

  35米长的低频射电频谱仪天线是嫦娥4号着陆器与嫦娥3号外形上最显著的区别▼ 

(图片来源:作者制作) 

  而嫦娥4号月球车因为不再携带粒子激发X射线谱仪,所以也就不需要机器臂了▼ 

(图片来源:作者制作) 

  此外,本次嫦娥4号任务还将首次尝试建立月面微型生态系统,它将携带马铃薯种子、拟南芥种子、果蝇,验证动植物在月面太阳自然光照和低重力条件下的生长状况。 

  总之,这些观测将有助于人类加深对月球地质、月球的生存和探索环境、月球背面独特的射电天文环境的认识。 

    

  发射前 

  虽然三姐鼓励我们:别紧张,去月球探险就当是春游。 可是…还是好紧张啊…那毕竟是从没有人去过的地方啊! 

  

   

(图片来源:寒花绘制、haibaraemily设计) 

    

  发射后 

  ByeBye!我们要去月球啦! 

   

(图片来源:寒花绘制、haibaraemily设计) 

    

  参考文献: 

  [1]http://www.xinhuanet.com/photo/2019-01/03/c_1123942403.htm 

  [2]http://www.maps-of-the-world.net/space-maps/maps-of-the-moon/ 

  [3]国家航天局 | 嫦娥四号探测器成功实施环月降轨控制 

  http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6804993/content.html 

  [4]Garrick-Bethell, I., & Zuber, M. T. (2009). Elliptical structure of the lunar South Pole-Aitken basin. Icarus, 204(2), 399-408. 

  [5]Hartmann, W. K., & Kuiper, G. P. (1962). Concentric structures surrounding lunar basins. Communications of the Lunar and Planetary Laboratory, 1, 51-66. 

  [6]Rodionov, B. N., Isavnina, I. V., Avdeev, Y.F., Blagov, V. D., Dorofeev, A. S., Dunaev, B. S., ... & Mikhailovskii, A.B. (1971). New data on the Moon's figure and relief based on results from the reduction of Zond-6 photographs. Cosmic Research, 9, 410 

  [7]D.E.Stuart-Alexander, U.S. Geol. Surv. Map l-1047 (1978). 

  [8]吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, & 张玮等. (2017). "嫦娥4"月球背面软着陆任务设计深空探测学报, 4(2), 111-117. 

    

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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