揭秘嫦娥四號月背之旅：攻克三大挑戰(zhàn)終抵"蟾宮后院"

原標(biāo)題 揭秘月背之旅三大挑戰(zhàn)

作者 邱晨輝

1月3日，嫦娥四號在舉世矚目之下成功踏上月球背面，實(shí)現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸。此前，嫦娥四號已經(jīng)飛越38萬公里，一路走來，歷盡艱辛。

嫦娥四號探測器包括兩器一星，即月球軟著陸探測器、月面巡視探測器、“鵲橋”中繼衛(wèi)星，飛行過程則包括發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月、動力下降等階段。這其中每一步面臨的挑戰(zhàn)都不可小覷。

中國航天科技集團(tuán)八院嫦娥四號探測器系統(tǒng)副總指揮兼副總設(shè)計(jì)師張玉花表示，不管是地球與巡視器間的通信延時(shí)，還是月球背面著陸區(qū)的地形崎嶇，抑或是沒有光照的漫長月夜，都將考驗(yàn)嫦娥四號著陸器和巡視器。好在，落月這一步已經(jīng)順利走完。

挑戰(zhàn)一：至少數(shù)分鐘的通信延遲

月球的一面對著地球，而另一面則永遠(yuǎn)背對著地球。嫦娥四號任務(wù)與嫦娥三號任務(wù)的首要不同，就在于探測器降落地點(diǎn)由月球正面改為了月球背面，這就使得探測器與地球的直接通信信號受到月球遮擋，必須通過“鵲橋”中繼星進(jìn)行信號中轉(zhuǎn)。

2018年5月21日，八院研制的長征四號丙運(yùn)載火箭成功將“鵲橋”中繼星送入地月轉(zhuǎn)移軌道，衛(wèi)星隨后進(jìn)入環(huán)繞地月L2點(diǎn)的使命軌道，為后續(xù)著陸器、巡視器與地面站之間的測控和數(shù)據(jù)傳輸提供中繼服務(wù)。

隨之帶來的問題是，地球與巡視器間的通信延時(shí)大大增長。

張玉花說，在動力下降過程中，著陸器不能對地直接通信，只能通過中繼星進(jìn)行上下行操作，這些都是此次任務(wù)的難點(diǎn)。

八院804所測控分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師汪瑩也提到，不同于嫦娥三號任務(wù)時(shí)，科研人員可以在監(jiān)控屏前實(shí)時(shí)觀察到巡視器對指令的執(zhí)行狀況，此次從指令發(fā)出到行動圖像傳回，至少有數(shù)分鐘的延遲，對于巡視器的移動和機(jī)構(gòu)活動有較明顯的影響。

科研人員為此計(jì)算并設(shè)定了巡視器每項(xiàng)行動的最大耗時(shí)，連同每次行動指令一同發(fā)送，同時(shí)賦予巡視器一定的自主功能，以便有效應(yīng)對可能的突發(fā)狀況。

汪瑩告訴記者，與嫦娥三號巡視器相比，嫦娥四號巡視器測控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)不僅要承擔(dān)與著陸器的數(shù)據(jù)通信的功能，還要與中繼星進(jìn)行遙測和數(shù)據(jù)傳輸，這就要求測控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)充分考慮冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性。

挑戰(zhàn)二：漫長月夜靠誰供給能量

一個月夜相當(dāng)于地球上14天。同時(shí)，月夜最低溫度可達(dá)到零下180攝氏度。

在沒有光照的漫長黑夜里，對于依靠太陽能提供能量的嫦娥四號著陸器和巡視器，如何憑借自身存儲的能量，安全度過月夜將是一個很大的挑戰(zhàn)。

科研人員提出休眠喚醒的概念：當(dāng)太陽緩慢地升起時(shí)，著陸器和巡視器將開始忙碌的14天工作——著陸器在原地實(shí)施科學(xué)探測，巡視器則“東奔西走”開始探測。

而當(dāng)月夜降臨時(shí)，巡視器會為自己找好棲身之所，收起桅桿，合上太陽翼，開始休眠。一直到太陽照射到月球車太陽翼的電池片上，喚醒“沉睡”的巡視器和著陸器，開啟又一次勘測。

探月工程太陽電池電路負(fù)責(zé)人陳城透露，嫦娥四號采用了三結(jié)砷化鎵太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率大大提升。而且，新電池降低了太陽電池片的厚度，為太陽電池“減重”了10%。

挑戰(zhàn)三：著陸區(qū)地形崎嶇撞擊坑大且密

嫦娥四號著陸區(qū)是位于月球背面南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑。張玉花說，嫦娥三號的虹灣著陸區(qū)整體地形平坦，與之相比，嫦娥四號著陸區(qū)地形比較崎嶇，撞擊坑大且分布密集，這就對探測器著陸區(qū)的選擇和著陸精度提出了更高要求。

此外，巡視器還要面對月球表面晝夜溫差變化大、低重力環(huán)境以及細(xì)小微塵的污染等問題。

比如，月球重力只有地球的1/6，科研人員要針對這種低重力環(huán)境，對巡視器的移動速度、距離、越障能力等狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行充分的地面力學(xué)分析和驗(yàn)證，并結(jié)合月面散落的隕石和撞擊坑的狀態(tài)，使其具有一定的障礙識別和自主避障能力。

張玉花告訴記者，在整個任務(wù)過程中，科研團(tuán)隊(duì)為巡視器定義了感知、移動、探測、充電、安全、月晝轉(zhuǎn)月夜、休眠、月夜轉(zhuǎn)月晝7種工作模式，以應(yīng)對不同的月面環(huán)境。

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