月背着陆,嫦娥有“火眼金睛”_0

浙江在线1月4日讯(浙江在线记者 刘晨茵 曾福泉)阔别五年,嫦娥再回广寒。

这次,她抵达了人类探测器从未到过的月之暗面,揭开了古老月背的神秘面纱,开启了人类探月新篇章。

在嫦娥四号自主落月过程中,浙籍科学家、中国科学院上海技术物理所王建宇院士团队和浙江大学徐之海教授团队研制的激光遥感和降落相机光学系统发挥了至关重要的作用。本报记者在嫦娥四号成功落月后第一时间采访了两位专家,带来前沿解读。

三次掌声

见证落月过程

1月3日10时26分,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内,实现人类探测器首次月背软着陆。

11时40分,嫦娥四号着陆器获取了月背影像图并传回地面。这是人类探测器在月球背面拍摄的第一张图片,图中展示了巡视器即将驶离着陆器、驶向月背的方向。

在北京航天飞行控制中心大厅内,徐之海见证了这个历史性的时刻。

“空气像绷了一张网,所有工作人员保持高度紧张的工作态度,整个大厅只零星传出几声简短口令声。在几个重要节点取得成功后,能听到短暂的掌声,但是大家马上又全心投入到下一阶段的工作。”徐之海语气中难掩自豪与激动。

让徐之海印象深刻的掌声有三次,第一次是10时15分,工作人员发出指令,7500N变推力发动机开机点火时,当时探测器的速度从相对月球1.7公里每秒慢慢降为零;第二次是探测器软着陆时,屏幕上传回着陆传感器的信息,确定落月成功;第三次是将降落过程中收拢的太阳翼重新展开,并开始充电等月面初始化工作。“当然着陆是掌声最热烈的一次。”徐之海说。

落月过程中,降落相机拍摄了多张着陆区域影像图,因为照片需要经过压缩和传输,有一定的滞后性,所以大厅显示屏上的三维演示和各项参数是最实时准确的信息,也揪着徐之海的心。

“屏幕上有两条曲线,分别是嫦娥四号探测器实际下降的红色曲线和预设的理论绿色曲线,绝大部分时候都是重合在一起,总的来说非常完美。”徐之海说。

让徐之海印象最深刻的,是当宣布嫦娥四号探测器落月成功后,许多工作人员欢呼着从房间跑出,互相大力地拥抱与祝贺。“所有人脸上都红扑扑、喜气洋洋的,与之前鸦雀无声的大厅形成鲜明对比,这个场景太激动人心了。”

眼中有光

照亮“黑色瞬间”

嫦娥四号月球探测器从15公里高处降至月球表面的这690秒,完全依靠自主判断与控制,地面人工干预的可能性为零。国外同行曾把地面科技人员“手足无措”的这段短暂时间称为“黑色瞬间”。

不过,嫦娥四号却能在“黑色瞬间”中睁开“火眼金睛”,确保安全着陆。探测器上搭载了王建宇团队研制的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器,以及徐之海团队研制的降落相机光学系统。这些技术装备为确保探测器安全着陆发挥了最关键、最核心的作用。有了它们,探测器就能准确地知道自己每时每刻距离月球表面的距离,并且清楚地看到着陆区域的地形地貌,从而寻找到安全的着陆地点。因此,探月工程总设计师吴伟仁院士曾形象地说:“苏联、美国的探测器登陆月球时是闭着眼睛下去的,我们则是睁着眼睛下去的。”

王建宇是浙江宁波人,本科毕业于原杭州大学物理系,长期从事空间光电技术和系统的研究,主持了“墨子号”量子科学实验卫星系统的设计和研制,2017年当选为中科院院士。徐之海是浙江嘉兴人,在浙大求学、任教多年,此前已承担了探月工程二期、三期多个成像光学系统和光学观测相机的工程设计和研制任务。这两位来自浙江的探月工程专家携手为嫦娥四号的落月保驾护航。

激光测距敏感器是着陆器上最早开机的设备,它就像一台高性能“倒车雷达”,在嫦娥四号着陆器距离月面15千米高度时就开始工作,每秒向月面发射两次激光脉冲。灵敏的“触角”不停收发信号,并通过测量月面回波与激光发射脉冲信号的时间间隔,实时掌握嫦娥四号着陆器相对于月面的精确距离,测量精度在0.2米之内。“在着陆器下降到距月面约8千米时,姿态发生调整,激光测距敏感器也随之切换测距方向,直到完成平稳落月。”王建宇说,嫦娥四号激光测距敏感器的激光光源、探测器、高压电源等核心元部件均为国产自研,并进一步提高了系统的集成化、轻量化程度。

完成姿态调整后,嫦娥四号着陆器进入接近段,这时着陆器搭载的降落相机开始拍摄多张着陆区域影像图,而这正是徐之海团队的拿手好戏。“百闻不如一见。”徐之海告诉记者,在科学探测中,光学成像一直是最直接、最重要的一种探测手段,其他任何科学手段的探测所带来的信息量、冲击力,都不如光学系统。

要研制出探月能用的相机光学系统,难度着实不小。徐之海说:“太空环境是真空、高辐射环境,温度变化大,航天飞行探测器的光学相机在太空环境工作,不但要非常可靠,寿命长并足够轻和小,还要满足许多特殊要求,例如在探测器发射时必须承受强大的力学冲击。”

徐之海表示,中国探月工程之前曾获得过多幅全月球影像图,虽然最高分辨率达到国际领先的0.97米,但对于探测器降落依旧“帮不上大忙”。在北京接受记者采访时,他对着面前的茶几打了一个形象的比方:“只要着陆器四只脚中的一只碰到像茶几这么大的一块石头,就有可能侧翻,然而0.5立方米的石头,在0.97米分辨率的影像图上只是一个点,我们无法靠一个点判断石头存不存在。”因此,嫦娥四号着陆器先大范围“挪”到一个相对平坦的地方,然后依靠降落相机多张更高精度影像图的判断,对障碍物和坡度进行识别,搜索安全着陆区,并在到达距月面100米的悬停位置时自主避障,再找到一个更平坦的小范围。

降落相机解决了平面视觉系统的判断,然而预定着陆区艾特肯地区表面仍然存在高坡、陨石坑等诸多不确定因素,所以立体精确避障极为重要,这时激光三维成像敏感器开始工作。

王建宇介绍,激光三维成像敏感器将在悬停位置采集月面的三维图像,将高于15厘米的石头或低于15厘米的坑识别出来,确保探测器降落在安全区域。如此精细的扫描成像的工作,在短短几秒内就完成了。值得一提的是,我国在几个航天大国中较早地把激光三维成像技术用于月面着陆,目前应用非常成熟。

此外,王建宇团队还为首次到达月球背面的月球车装上了“红外眼”——红外成像光谱仪。月球车走到哪里,这双“眼睛”就看向哪一片月面。通过获取精细光谱信息,这台仪器可以帮助科学家识别月壤及月面岩石的成分。王建宇介绍,嫦娥四号红外成像光谱仪不仅集成最新遥感技术,还成功实现轻小型化,重量不到6千克,综合性能优于欧美同类产品。

“鹊桥”有信

探索月球两极

嫦娥四号到达月球背面顺利开展探测工作,中继卫星“鹊桥”功不可没。2018年5月21日,“鹊桥”在西昌卫星发射中心发射升空。中国航天专家、中国空间技术研究院浙籍研究员庞之浩接受记者采访时说,“鹊桥”是世界上第一个进入地月拉格朗日L2点晕轨道的月球中继卫星。

为什么需要搭“鹊桥”?浙籍行星专家、科普中国形象大使郑永春用一个形象的比喻告诉记者:“原因就在于月球被地球的引力潮汐锁定了。就像爸爸的双手拉着孩子的双手,爸爸在原地打转,孩子环绕着爸爸打转,从爸爸的角度——也就是地球人的角度——他看不到孩子的背上,或许已经在被蚊子叮咬了。”

因此,当嫦娥四号进行世界首次月球背面软着陆和巡视勘察任务时,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,而“鹊桥”则相当于架设在嫦娥四号与地球间的“通信中继站”。

徐之海教授团队主持研制的“鹊桥号”观测相机系统也成功随卫星发射。在到达绕地月拉格朗日L2点的使命轨道后,相机系统于2018年6月20日开机,天线监视相机成功获取了高增益抛物面通信天线的图像,确认了中继天线正常展开状态,完成了监视成像任务;双分辨率相机于7月13日至14日开机,在人类历史上首次获取了从地月拉格朗日L2点附近拍摄的地月合影及地球、月球特写图像。

庞之浩告诉记者,月球背面比正面更为古老,在月球背面着陆进行探测,对月球的起源和演变、调查月球地质和资源情况与地球早期历史具有重要价值。另外,月球背面电磁环境非常“干净”,可屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号,因而在那里能监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号,有望取得重大原创性科研成果。

“月球两极探测意义更为重大,如果能确定月球两极是否有水和其他资源,不仅能作为月球基地选址的重要参考,也有助于把月球作为跳板进行载人火星探测。因为水能用于航天员的生活,还能分解成氢和氧作为飞船燃料。”庞之浩说。

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