作者:王赤 严俊 吴伟仁 于登云 董光亮 来源: 发布时间:2019-3-5 20:58:30
嫦娥四号首次登陆月背开启科学探索之旅

 
2018年12月8日,嫦娥四号探测器在西昌卫星发射中心成功发射,经过26天的奔月之路,于2019年1月3日10时26分,成功着陆在月球背面南极·艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑内的预选着陆点(东经177.6°,南纬45.5°),并通过“鹊桥”号中继星传回世界首张近距离拍摄的月球背面图像。这是人类探测器首次降落在月球背面,此前已经先后有苏联、美国和中国发射的 20 个人类探测器到访过月球表面,不过它们都集中在朝向地球的这一面(正面)。美国宇航局(NASA)局长 Jim Bridenstine 第一时间在推特上发文表示祝贺,并称“这是人类首次(在月球背面软着陆),成就令人印象深刻”。
 
2019年1月3日22时22分,着陆器与巡视器(玉兔二号)经过约6个小时的两器分离后,玉兔二号驶抵月球表面,并在随后的时间里通过各自携带的相机进行了两器互拍成像。
 
为什么是嫦娥四号?
 
2004年,我国正式开展月球探测工程,并命名为“嫦娥工程”,确定了“绕”“落”“回”三步走的计划。第一颗绕月卫星被命名为嫦娥一号,嫦娥二号是嫦娥一号的备份星,超额完成了嫦娥工程一期任务。嫦娥三号是嫦娥工程二期的探测器,是我国第一个月球软着陆的无人登月探测器。嫦娥三号探测器由月球软着陆探测器(简称着陆器)和月面巡视探测器(玉兔号)组成,2013年12月14日成功实现月球正面软着陆。嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,如果嫦娥三号任务没有成功,则将再次尝试同样的任务。由于嫦娥三号任务圆满完成,嫦娥四号被安排接受新的挑战——实施月球背面的软着陆。最后“回”的任务将由预期2019年年底发射的嫦娥五号到月球正面取样返回来完成。月球南极由于其潜在的水冰资源和特殊环境,是实现长期科研和资源开发的理想场所,探月工程后续任务又规划了以探测月球南极和采用3D打印等一系列关键技术的月面试验为目标的探月四期,于是嫦娥四号也成为了探月四期的首次任务。
 
为什么要去月球背面?
 
在地-月系统长期的演化过程中,地球和月球之间的潮汐力使得月球的自转和绕地球的公转周期相同,而且自转和公转的方向一致,因而不管阴晴圆缺,月球总是以同一面朝向地球。月球背面的第一张影像由前苏联的月球3号太空船在1959年拍摄,而人类直到1968年在阿波罗8号任务环绕月球时,才直接用眼睛看见月球背面。在月球正面,有大量的暗区,我们称之为“月海”,它们地势一般较低,表面覆盖着“月海玄武岩”,并且月面反照率比较低,因此看起来比较黑。而月球背面缺少月海,因为月球正面和背面的月壳厚度不同,这与月球的形成有关。
 
月球背面的地形主要为一大堆起伏不平的撞击坑,如太阳系第二大撞击坑,南极·艾特肯盆地。嫦娥四号着陆区就位于月球背面南极·艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑。
 
月球冯·卡门撞击坑属于月球三大板块结构之一,是构成月壳的重要组成部分,同时也是月球上最古老、最大的撞击坑,其物质成分和地质年代具有代表性,对于认识月球最早期的撞击历史和太阳系的形成具有重要科学价值,特别是判定太阳系是否存在39亿年晚期密集轰击事件,具有决定性的作用。
 
由于地球大气和电离层的影响,对频率低于~10MHz的射电辐射在地球上进行观测几乎是不可能的,地面射电天文观测都是在更高的频段开展,而月球没有显著的大气和电离层,同时月球自身可以屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号,因而月球背面是开展(甚)低频频段射电天文探测的理想场所,可以填补射电天文领域上在(甚)低频观测段的空白。(甚)低频是研究太阳、行星及太阳系外天体的重要手段,也将为研究恒星起源和星云演化发挥不可或缺的重要作用。其中特别激动人心的可能性是用低频射电探测仪观测探索宇宙大爆炸结束后的黑暗时代,以及此后第一代恒星形成时的宇宙黎明。
 
嫦娥四号去月球背面干什么?
 
嫦娥四号探测器将在月球背面着陆区开展原位和巡视探测,主要包括低频太阳射电天文与月表射电环境观测,对月表地形地貌、撞击坑、月表物质成分、月面浅层结构等的科学探测任务,其主要科学目标为:1、月基低频射电天文观测与研究。2、月球背面巡视区形貌和矿物组份探测与研究。3、月球背面巡视区浅层结构探测与研究。4、月面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。
 
嫦娥四号的“眼睛”和“耳朵”
 
嫦娥四号任务采用“月球背面软着陆+巡视+中继”的方案,由中继星和着巡组合体组成,着巡组合体则由着陆器和巡视器(玉兔二号)组成。为了实现嫦娥四号的科学目标,在着陆器、巡视器和中继星上都配备了“眼睛”和“耳朵”来“观景”、”听声”和“探物”。
 
着陆器的降落相机在着陆器降落过程中获取着陆区的光学图像,地形地貌相机主要获取着陆区的地形地貌照片;低频射电谱仪用来探测太阳低频射电特征和月表低频射电环境;中德合作的月球中子及辐射剂量探测仪(LND)用来探测月表粒子辐射及其剂量。
 
巡视器(玉兔二号)的全景相机主要用来获取着陆区和巡视区月表三维图像;测月雷达主要用来探测巡视线上的月球次表层结构;红外成像光谱仪负责开展巡视区月表红外光谱分析和成像探测,以确定月表矿物成分;中瑞合作的中性原子探测仪(ASAN)则用来观测巡视探测点的能量中性原子及正离子。
 
此外,“鹊桥”号中继星上还搭载了中荷合作的低频射电探测仪(NCLE),开展低频射电观测。
 
科学探索之旅的期待
 
在2019年1月3日嫦娥四号探测器成功落月后,按照飞行程序,着落器和巡视器科学探测仪器(有效载荷)陆续开机工作,各个设备工作正常,其中降落相机和地形地貌相机已经完成了既定的探测任务。中继星搭载的低频射电探测仪完成了天线收拢状态下的加电测试,数据正常。着陆器地形地貌相机的环拍图显示着陆器周围的碎石比较少,说明这个撞击坑很古老,因为撞击溅射出的石块会随着时间流逝慢慢破碎,进而消失。
 
由于月球自转和公转相同,月球的一天就是月球一年,一半是黑夜一半是白天,换成地球时间是近14天交替的白天黑夜。2019年1月14号在第一个月夜降临后,由于没有阳光的照射,太阳能帆板无法提供能量,嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器陆续进入了休眠。2019年1月30日20时39分,嫦娥四号着陆器接受光照自主唤醒。此前,玉兔二号巡视器于29日20时许完成自主唤醒。两器在月球背面经受住了极低温环境考验,关键设备按预定程序相继通电开机,安全度过首个月夜。后面重点工作就是要开展科学探索了,嫦娥四号着陆器主要在原地探测,玉兔二号巡视器选择好了未来行走的路线。从传回的照片看,西北方向地形相对平缓,玉兔二号的行走方向以西北方向为主,将开展超过3个月的科学探索之旅。那我们期待嫦娥四号取得什么重大科学成果呢?
 
首先可以利用低频射电频谱仪获取的太阳低频射电和月表射电环境探测数据,这是以前没有过的,有望在太阳风激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性的成果。二是通过对着陆区和巡视区地形地貌、物质成分、浅层结构的探测与综合研究,将在国际上首次建立月球背面集地形地貌、地质构造、物质成分、浅层结构于一体的综合地质剖面。三是结合嫦娥三号巡视探测器探测成果的对比研究,可在月壤和月壳的地质演化细节的研究上获得新认知,揭示月球南极·艾特肯盆地物质成分组成、浅层结构特性和地质演化历史。四是首次在月表开展能量中性原子探测,有望在太阳风-月表相互作用的微观物理机制、月表逃逸层的形成和维持机制等方面取得突出的研究成果。月表辐射综合探测将获得最新的月表辐射实测数据资料,推进对月表真实辐射环境的全面了解和认识。
 
嫦娥四号任务是人类第一次探寻月球背面这块“处女地”,随着有效载荷的陆续开机进行科学探测,月球背面的神秘面纱将会被逐步揭开,预期取得重要的科学成果,显著提升我国空间探测能力和空间科学水平,推进人类探索月球和宇宙的步伐!
(本文作者来自嫦娥四号工程总师系统;王赤:探月工程嫦娥四号工程副总设计师;严。禾皆鹿こ淌紫蒲Ъ;吴伟仁:探月工程总设计师;于登云:探月工程嫦娥四号工程副总设计师;董光亮:探月工程嫦娥四号工程副总设计师)
 
《科学新闻》 (科学新闻2019年2月刊 科学传播)
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