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2019年1月3日10時26分,嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮?卡門撞擊坑內(nèi),實現(xiàn)人類探測器首次在月球背面軟著陸。
發(fā)射成功現(xiàn)場(圖源:我們的太空微博)
它對中國探月、乃至整個人類探月,到底有多大意義?本文十大看點為你全方位解讀。
看點一:為什么選擇探測月球背后?
動圖:NASA的深空天氣探測衛(wèi)星在150萬千米外日地拉格朗日點“定點”觀察而來的月球掠過地球,可以明顯看到月球只有一面對著地球(圖源:NASA)
歐陽自遠院士在中科院SELF講壇的演講中表示:
我們的著陸器和月球車將要降落在月面背面的巨大的艾肯盆地上,這里面有很多新的科學信息。
中國未來將進行火星、木星及其他天體的探測(來源:中科院SELF講壇)
在月球背面是一種長波無線電最干凈的環(huán)境,因為我們在地球和月球正面上有一段無線電是絕對收不到的,包括太陽的某一部分爆發(fā),包括宇宙的各種信息等。這是為什么呢?
我們地球有一個電離層,全部干擾來自地球之外的長波無線電信息都測不到,月球正面也被地球的電離層干擾,也測不到。最好的選擇就在月球背面,它非常干凈,所有的雜音都被月球正面擋住了,所以它是一個最好的環(huán)境,是科學家夢寐以求的地方,它可以清晰地收到來自宇宙早期的很多信息。
我們既可以去,也可以落,還可以安全回來,我們中國的航天員一定能夠到達月球,我們甚至要建立月球基地,這是我們明年要完成的任務。
人類月球探測、甚至人類航天的巔峰就是大名鼎鼎的阿波羅登月工程,但是,所有的阿波羅載人任務、甚至蘇聯(lián)和美國的其他無人著陸月球任務都集中在月球正面,對這里人類已經(jīng)了解得非常多。
到中國嫦娥三號時,人類已經(jīng)在月球正面有過20個著陸器,然而背面為0(圖源:Wikipedia)
但是,之所以一直探測正面、在正面著陸,卻從不去背面,一個重要原因就是背面著陸的難度大大難于正面。
而嫦娥四號對這個“難題”做出了回答:“我選擇著陸月球背后,不是因為它簡單,而是因為它更難”。
看點二:
月球背面是不是外星人造的?
據(jù)說月球背面有外星人,有很多人說咱們中國人干嘛要到月球背面去惹禍呢?別人都不敢去。這些到底是真是假呢?歐陽自遠院士在演講中給出了答案:
月球是不是外星人造的?(來源:中科院SELF講壇)
美軍轟炸機被外星人劫持到月球背面?假的
美國最有名的一個雜志叫《世界新聞周刊》,1988年4月5日登載了一張照片。在二戰(zhàn)時期,美國轟炸機群經(jīng)過百慕大上空時,有一架轟炸機不知去向。后來傳說它被外星人劫持,被放在月球背面的一個坑里頭。
《世界新聞周刊》刊登的照片
這是月球背面一個很有名的坑,它有93公里的直徑,照片上的飛機起碼有50公里長,飛機翅膀展開的寬度起碼有50到60公里寬,人能造那么大的飛機嗎?這是不可能的。
外星人在月球背面有秘密工廠?假的
網(wǎng)友們給我們發(fā)了許多照片,比如右邊的圖,網(wǎng)友說是外星人在月球上巡查,背后就是外星人的秘密武器制造工廠。其實這個人是“阿波羅16號”的宇航員杜克,鞋印都是完全一樣的,右邊的照片完全是偽造的。
月球上有金字塔?假的
有人說月球上有金字塔,其實是把埃及金字塔的照片貼上去的。
月球上有巨石陣?假的
有人說月球上有巨石陣,其實是把英國的巨石陣照片合成到了月球照片上。
外星人照片?假的
還有人說,這是外星人的照片。我量了一下,這個外星人的高度起碼有50米,哪有那么高的人?這全是假的。
我覺得月球背面沒有任何外星人活動的跡象。月球是一個嚴酷的世界,白天100多度,晚上零下180度,溫差可以達到300度,沒有任何絲毫的空氣,月球的環(huán)境太嚴酷了,人是不能居住的。
看點三:月球背后探測會給科研界帶來什么?
直接劃重點:
a. 月球背面幾乎全是環(huán)形山/隕石坑(97.5%),比正面多得多(69%),形成原因和目前的情況只有理論解釋,缺乏實地驗證;
b. 月球背面南極-艾特肯盆地,是太陽系第二大超級隕石坑,早在1998年,NASA的月球勘探者號就發(fā)現(xiàn)這里存在水冰,而且更接近月球最原始的情況;
c. 嫦娥四號實際著陸地點位于該區(qū)域中部的馮·卡門環(huán)形山,它以錢學森的恩師的名字命名。這里經(jīng)過了強烈碰撞,極可能曾經(jīng)被熔巖淹沒,各類物質(zhì)含量豐富,或許留有月幔最原始的成分,保留了月球最深層的秘密;
d. “月球上氦三能量開發(fā)可供人類能源需求XX萬/億年”的說法,相信大家已經(jīng)看過很多了,而理論上月球背面環(huán)境更容易產(chǎn)生氦三;
e. 月球背面有天然的“屏蔽”,沒有任何來自地球的輻射干擾,這意味著它有著無比完美的安靜環(huán)境做天文觀測;
f. 月球背面的月壤也極有可能與正面大不相同。
月球正面(左)和月球背面(右)看起來截然不同(圖源:NASA)
以上,基本意味著第一個實現(xiàn)月球背面著陸的探測器將會收獲眾多獨特的科研成果,對世界航天和天文界都將是巨大的貢獻。
看點四:月球擋住了,信號咋辦?
既然月球擋住了背面,就要布置一顆信號中繼衛(wèi)星,為著陸器做準備和全程信號支持。從上個世紀六十年代開始,NASA就一直在提設想、論證,但從未實踐過。目前,中國已經(jīng)完成了這一任務:早在去年5月份,就成功部署了“鵲橋號”中繼衛(wèi)星,在月球背后6.5萬公里之外的地月拉格朗日二點附近Halo軌道簇上運行。
鵲橋號中繼星與地球、月球的軌道關系(圖源:吳偉仁等)
這是人類歷史上首個月球信號中繼衛(wèi)星,架起了地球和月球背后的“鵲橋”,它將全程見證嫦娥四號的探測過程,也將負責嫦娥四號的全程通信。
看點五:著陸區(qū)域到底有多復雜?
月球背面隕石坑密布、尤其南極-艾特肯盆地的地形和高程圖異常復雜,對各種配合著陸傳感器的系統(tǒng)要求很高。尤其是高度方面的變化速度超過了以往任何一次著陸,最大落差高達16.1千米。馮·卡門環(huán)形山屬于其中一塊核心區(qū)域,對嫦娥四號而言,相當于翻越崇山峻嶺來找它。
如果把此前探測器在月球正面的著陸情形描述為小船輕輕劃過湖面,嫦娥四號在月球背面的著陸就好比在風暴洋中沖浪,難度不可同日而語。
南極-艾特肯盆地的地形圖復雜程度遠超其他地方,圖中標注處即馮·卡門環(huán)形山(圖修改自:Garrick-Bethell and Zuber)
為了成功著陸并釋放月球車探測,所克服的難度和意義可想而知。
看點六:為什么四天就到月球,還遲遲不著陸?
嫦娥四號早在12月8日就出發(fā),使用了我國目前深空探測的最強火箭長三乙改III型。3.8噸重的它僅花了4天14時16分就完成了發(fā)射、軌道校正、近月制動、進入工作軌道,是四次主要任務中最短的一個。但依然等到了2019年1月3日才進行著陸任務。
為什么需要這么長的時間呢?
是為了等待時機。
月球被潮汐鎖定,自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相同,導致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。換做地球時間就是近14天交替的白天黑夜。在進入月球軌道后,嫦娥四號一邊測試儀器,一邊等待月球進入白天,畢竟它的主要能量來源是太陽能。
光線照射形成的影子,也是著陸時判斷地形的重要圖像參考(圖源:NASA)
另一方面,由于降落地點處于南極附近,它需要逐漸調(diào)整軌道傾角才能經(jīng)過這里,比較耗時。同時,也要等待太陽光照在月球的角度達到理想的狀態(tài),這樣所有的地貌都會有比較清晰的陰影,最大程度輔助光學設備選擇并定位著陸地點。
看點七:嫦娥四號著陸怎么“走位”?
由于降落的難度大大增加,嫦娥四號的著陸方式也將作出改動。由于著陸地的獨特地貌特點,它的避障需求遠高于其他著陸任務。
嫦娥三號和四號動力下降過程對比(圖源:李飛等)
可以看出,在進入準備階段后,嫦娥四號的軌跡不降反升,而后進入一個幾乎要實現(xiàn)長距離垂直下降過程,期間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過程,難度極大。這么一個復雜的“走位”,對自主導航制導與控制要求極高。
看點八:嫦娥四號的能量怎么來?
采用太陽能電池板和充電電池組合,是很多月球探測器的基本配備。在(月球)白天,月球上太陽能極其充沛,太陽能電池板充電,剩余電能儲蓄下來,所有系統(tǒng)正常工作。晚上能量不足,只能冬眠或降低工作強度。我國的嫦娥三號和玉兔號任務,以及蘇聯(lián)、美國諸多無人探測器,大都采用這個方案。
2013年12月2日發(fā)射的嫦娥三號和玉兔號月球車,它們能量主要依靠太陽能電池板(圖源:中國航天科技集團)
而在嫦娥四號上,中國將首次實驗自己的“核電池”技術。盡管它不是最主要的能量來源,但這個突破已經(jīng)意義重大。
看點九:逆襲的備份!
嫦娥四號原本是嫦娥三號的備份版本,但毫無疑問,目前它的科學和工程目標都大大超出了前者。在嫦娥四號動力下降過程中,它需要鵲橋號配合完成全部動作,這就要求對星上傳感器和核心降落輔助設備進行全新升級。
月面微型生態(tài)圈,帶有馬鈴薯、蠶、擬南芥和生命支撐系統(tǒng)(圖源:重慶大學)
基于過往經(jīng)驗,嫦娥四號對月球車進行了一定改進,以期延長使用壽命,擴大科研成果。太陽能帆板系統(tǒng)也升級為高效三結砷化鎵材料,能量來源更強勁。對嫦娥三號已有的測月雷達等設備進行升級。
此外,在科學儀器上,為充分利用月球背后的“干凈”天文觀測條件,它新增了探測中子及輻射劑量、低頻射電和中性原子等一系列設備。除了科研,它還攜帶了一個以科普為主要目標的月面微型生態(tài)圈,里面有幾種生物,也是人類首次進行月面生物實驗。
看點十:國際合作大突破
嫦娥探月工程作為中國最具標志性大型科學研究項目之一,在擴展中國航天國際影響力、甚至直接促進國際合作方面的意義對我國而言是無可取代的,而嫦娥四號任務更是為中國航天邁出了突破性的一步。
嫦娥四號任務的火箭整流罩上有眾多國際機構,可以看出這是個高度國際化的任務(圖源:中國航天科技集團)
在科學方面,低射頻電探測儀是與荷蘭合作,月表中子與輻射劑量探測儀是與德國合作,中性原子探測儀是和瑞典合作,月球小型光學成像探測儀是與沙特合作。
在任務成功后,嫦娥四號收集來的一手科研數(shù)據(jù)將會對外全部公開,歡迎全世界科學家共同研究。一言以蔽之:嫦娥工程是近些年中國航天在國際上最大的一張名片,造成廣泛影響的同時,也在行業(yè)內(nèi)外得到了很多關注,是我國航天對外開放吸引合作的最佳平臺。
因而,眼前的嫦娥四號,不僅是中國的,更是全世界的。它的科學和工程意義,對整個人類而言都是重大突破。
所以,
在正式宣布了
“嫦娥四號”成功著陸的消息后,
推特上外國網(wǎng)友的畫風都是這樣的:
嫦娥4號成功登陸月球背面了!
我也看到了
央視13臺報了!官宣了!嫦娥4號登陸了!
就連美國宇航局NASA的Jim Bridenstine局長,也在第一時間向中國表示了祝賀,稱嫦娥4號成功登陸月球背面是人類歷史上的首次,更是一項“令人印象深刻的成就”!
另外,有外國的科技媒體人目前還在認真學習到底該怎么正確地讀出“嫦娥”倆字:
不過更有趣的,還是這些老外在等待嫦娥4號成功登陸消息時的各種“碎碎念”。畢竟,雖然中國的微博等境內(nèi)社交平臺早在10:26分嫦娥4號成功登陸后就已經(jīng)傳出了多個小道消息,但官方渠道當時還沒有消息。
于是,這些老外也和咱們一樣,一方面看到這些小道消息非常興奮,一方面又因為遲遲沒確認只能繼續(xù)憋著……
當然,正所謂瑕不掩瑜。這些小插曲并沒有打消這些外國網(wǎng)友對嫦娥4號及其成就的巨大熱情。在官方終于宣布了成功登陸的消息后,這些老外們都在發(fā)布對于嫦娥4號的贊美之詞,稱這確實是“前無古人”的成就。
央視國際版CGTN隨后播出了關于嫦娥的大專題節(jié)目,也算是讓這些關心中國航天進步的熱心老外們得到了滿足。
主要參考文獻:
1.文中的“吳偉仁等”指來自此期刊文章:吳偉仁,王瓊,唐玉華,等. “嫦娥4號”月球背面軟著陸任務設計[J]. 深空探測學報,2017, 4(2):111-117.
2.文中的“李飛等”指來自此期刊文章:李飛, 張熇, 吳學英, 等. 月球背面地形對軟著陸探測的影響分析[J]. 深空探測學報, 2017, 4(2): 143-149.
3.NASA最早提出的完整月球信號中繼方案可見文章:Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station.
4.南極-艾特肯盆地高程原圖來自:Potter, R. W. K., G. S. Collins, W. S. Kiefer, P. J. McGovern, and D. A. Kring (2012), Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, Icarus, 220, 730–743, doi:10.1016/j.icarus.2012.05.032.
