“嫦娥四妹”落月记！专家揭秘引导落月的“鹊桥”
北京日报客户端2019-01-03 13:53
记者刚刚从国家航天局获悉，1月3日10时26分, 嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬 45.5 度附近的预选着陆区，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，揭开了古老月背的神秘面纱。此次任务实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信，开启了人类月球探测新篇章。
10时15分，科技人员在北京航天飞行控制中心发出指令，嫦娥四号探测器从距离月面15公里处开始实施动力下降，7500N变推力发动机开机，逐步将探测器的速度从相对月球1.7公里每秒降到零。在6-8公里处，探测器进行快速姿态调整，不断接近月球；在距月面100米处开始悬停，对障碍物和坡度进行识别，并自主避障；选定相对平坦的区域后，开始缓速垂直下降。约690秒后，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。落月过程中，降落相机拍摄了多张着陆区域影像图。
嫦娥四号着陆器拍摄的着陆点南侧月球背面图像，巡视器将朝此方向驶向月球表面。
落月后，在地面控制下，通过“鹊桥”中继星的中继通信链路，嫦娥四号探测器进行了太阳翼和定向天线展开等多项工作，建立了定向天线高码速率链路。 11 时 40 分着陆器监视C相机获取了世界第一张近距离拍摄的月背影像图并传回地面。图中展示了巡视器即将驶离着陆器、驶向月背的方向。嫦娥四号探测器由着陆器和巡视器组成，共配置包括2台国际合作载荷在内的8台有效载荷，其中着陆器上安装了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、与德国合作的月表中子及辐射剂量探测仪等4台载荷；巡视器上安装了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪。这些仪器将在月球背面通过就位和巡视探测，开展低频射电天文观测与研究，巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构研究，并试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境研究。
嫦娥四号探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像。
此外，着陆器还搭载了月表生物科普试验载荷。嫦娥四号任务为中外科学家提供了太空探索的机会。科学家认为，月球背面比正面更为古老，冯卡门撞击坑的物质成分和地质年代具有代表性，对研究月球和太阳系的早期历史具有重要价值。月球背面也是一片难得的宁静之地，屏蔽了来自地球的无线电信号干扰，在此开展低频射电天文观测可以填补射电天文领域在低频观测段的空白，为研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能，也将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。中国国家航天局愿以此为基础，与世界各国航天机构、空间科学研究机构及国外空间科学爱好者，开展合作，共同探寻宇宙奥秘。
嫦娥四号探测器月球背面软着陆后降落相机拍摄的图像。
后续，嫦娥四号探测器将通过“鹊桥”中继星的中继通信链路，在地面控制下，开展设备工作模式调整等工作，择机实施着陆器与巡视器分离。
揭秘引导嫦娥落月的“鹊桥”
早在6个月前，一位专一的“情郎”已经跨越几十万公里路程，在深空中心心念念的等待着，他便是由航天科技集团五院抓总研制的嫦娥四号中继星——“鹊桥”。嫦娥顺利登月，“鹊桥”功不可没。正是“鹊桥”的引导下，嫦娥安全着陆在月球背面南极冯卡门撞击坑附近，首开人类探测器在月球背面软着陆巡视探测的先河。
确保顺畅通信，月球背面上空架起“天线”
深空探测任务中难度最大的就是如何确保远距离数据通信链路的可靠建立，实现航天器和地面的实时通信联络，这也是世界各国都在致力解决的深空探测关键核心技术。嫦娥四号探测器要到月球背面安家落户，首先遇到的就是它与地球不仅相隔遥远的地月距离，而且还要隔着通信信号无法穿透的月球球体。
“鹊桥”中继星引导嫦娥四号落月
实现数据中继的方法不止一个。比如可以发射很多中继通信卫星绕着月球转，保证始终至少有一颗卫星绕到落在月球背面嫦娥四号着陆器的通信范围内，把信号传到地球。但这一方法由于需要研制发射多颗通信卫星，因此，虽然可行但成本比较高。还有一个同样有效但可降低成本的方案，就是用一颗数据中继卫星来帮忙，实现地球与身处月球背面嫦娥四号之间的实时通信。中继星就起到了类似“天线”的作用。
我国已经有了几颗中继星了，为什么不能“就汤下面”，还要再单独发射一颗中继卫星，为嫦娥四号提供数据中继服务呢？
航天科技集团五院嫦娥四号中继星总设计师张立华介绍，由于现有的中继卫星都是运行在地球同步轨道上，够不到月球背面，因此，只能为在近地空间运行的航天器提供中继服务，而无法实现地球与月球背面之间的通信联系，因此必须发射一颗中继卫星，把它放在一个不被月球遮挡的适当位置，来实现嫦娥四号与地球之间的数据传输，这才成就了架好“鹊桥”等嫦娥的佳话。
振幅1.3万千米，确保月球和地球都能“看见”
由于嫦娥四号要在月球背面靠近南极一个叫冯卡门撞击坑的地方软着陆实施巡视勘测，科技人员决定把“鹊桥”架在“地月系统拉格朗日L2点”上，这个位置处于地球和月球两点连线的延长线上，且在较小的天体也就是月球一侧，在这个位置“鹊桥”既可以看到地球，又可以看到月球背面，因此，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换，完成“中继”任务。
当然，如果中继星“守”在地月拉格朗日L2点不动，由于受月球遮挡，仍然“看不见”地球。所以，设计师为其设计了绕地月拉格朗日L2点的Halo轨道，“鹊桥”中继星在这条轨道可以试下Z向振幅约1.3万千米，做拟周期运动，这样既能“看见”地球，又能“看见”月球，可以同时与地球和月球背面进行信息和数据交换，通过定期轨道控制来保持轨道的稳定性，实现对嫦娥四号着陆器和巡视器的中继通信覆盖。
同时，由于这个点受地月引力作用保持相对稳定平衡的状态，因而可以最大限度地节省卫星的燃料，有利于保证对中继星进行轨道控制。
守候“嫦娥”，“鹊桥”经受零下200度严寒
2018年5月21日，“鹊桥”肩负重任在西昌卫星发射中心奔向太空，进入预定地月转移轨道，开始了搭建地月信息联通“鹊桥”的航程。经过1次中途修正，于5月25日到达近月点，在成功实施近月制动后，顺利进入月球至地月拉格朗日L2点的转移轨道。6月14日，“鹊桥”中继卫星实施轨道捕获，进入环绕距月球约65万千米的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道，成为世界首颗运行在地月拉格朗日L2点Halo轨道的卫星，在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试后，等待“嫦娥”的到来。
“鹊桥”中继星在浩瀚的太空中，会经历一段没有光照的日子，没有太阳的时候，阴影区的温度是零下200摄氏度左右，最冷的地方将达到零下230摄氏度，在如此严寒下，天线全身肯定都“冻僵了”，这些天线在太空中需要经历严酷的考验。为了使它在“冰窖”似的环境里不被“冻坏”，研制中，科技人员除了采用特殊的材料外，还进行了大量的极端环境下的试验，有效保证了这些天线能够应对严酷环境的考验。
为迎接嫦娥四号的到来，2018年11月9日至11月23日，五院研制人员又对“鹊桥”中继星进行了一次在轨的“体检”。“体检”报告显示，“鹊桥”非常健康！
“嫦娥四妹”落月记
2019年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在月球背面软着陆。中国空间技术研究院在官方微信上以“嫦娥四妹”作为嫦娥四号探测器的昵称，揭秘了此次“落月”的精彩过程。
经过精准变轨、刹车等动作，“嫦娥四妹”顺利进入环月轨道，并在那里与等候已久的中继星“鹊桥”搭上了线，通上了话。在环月轨道上，“嫦娥四妹”使劲睁大眼睛寻找着月球正面的虹湾区，那里有“三姐”和“玉兔”的小小身影，她真想去跟她们见见面，聊一聊，可是时间有限，两姐妹只能遥祝安康。
近一个月的漫长旅途终将结束，“四妹”终于等来了入住“新家”的日子，地球的亲人们为她择了一个良辰吉日——1月3日。听中国空间技术研究院下属北京控制工程研究所GNC系统研制人员说，“三姐”所在的月球正面着陆区地形起伏仅800米，而这次月球背面着陆区地形起伏却达到了6000米，可以说是跌宕起伏、崎岖难行。另外落月过程中，地球方向不能直接看到，所有的信息传输都需要在“鹊桥”的中转下完成，这无疑大大增加了落月的风险。因为整个落月过程由GNC系统自主操控，加之回传画面的延迟，所以这就意味着“嫦娥四妹”就要靠自己的本事轻盈落月了。
为了让自己落得准、落得稳，不崴到脚、闪到腰，“嫦娥四妹”用了激光测距、微波测距、三维测距等方式，其中，在微波测距中，研究院下属空间电子信息技术研究院技术人员为她量身定制的测距测速敏感器，开始观察地形。这个小装置类似于我们日常生活中汽车的行车雷达和倒车雷达，将极大方便她控制身姿顺利“入位”，可以说，它是嫦娥四号探测器寻找落月路的明亮双眼。
几番选择之后，“嫦娥四妹”选定了心仪的落脚点。她先掉了个头，做好下降准备，然后按照GNC系统的指挥，在距离月面15公里的高度“定时定量”启动发动机开始快速减速。在边往前飞边下降的同时，她快速调整姿势、调整速度，在距离月面8公里的高度时调整至垂直下降。这个垂直就是和嫦娥三号最大的不同，因为这里太崎岖，如果水平方向持续移动就会让着陆器不能准确测量自己所处的高度。然后继续下降，待发现下方100米就是月面时，为了保证落地时每只脚都不踩到石头上、踩到坑里，“四妹”稍稍歇了歇脚，待自己找好着陆点后才缓缓地飘了下去。整个过程，地球上的亲人们都是通过研究院下属的北京空间机电研究所为“嫦娥四妹”配备的降落相机形成的落月图像，再通过“鹊桥”传回观看到的。
然而，在崎岖的月面上想要站稳脚跟并不容易。此时，研究院下属的北京卫星制造厂有限公司精心打造的“着陆缓冲机构”派上了用场，它们就是“嫦娥四妹”的四条细长美腿和四只稳健的大脚。其中每条着陆腿都包含一个主腿和两个副腿。在着陆前，副腿推着主腿向外侧展开到规定角度并锁定，然后主腿就负责在着陆时安全地支撑住我的身体，将各种冲击力传递、吸收，它是“四妹”身体主要的支撑结构。副腿也会辅助主腿缓冲巨大的冲击力，并且使她落月更稳定、安全。
当那大脸盆般大小的四个大脚掌稳稳触碰到月球背面的地面时，月球背面的地面上也永久留下了人类航天器的“首个足迹”。此时，“嫦娥四妹”难掩心中的激动，她突然想起了第一个踏上月球的宇航员阿姆斯特朗的那句话：“这是个人迈出的一小步，但却是人类迈出的一大步”，感慨的说到：“而我的这一步，也将揭开人类探索月球背面的新纪元。”
在稍事调整后，“嫦娥四妹”将正式开始月球背面的探测工作，去探寻月球背面的未知奥秘了，想着就觉得激动呢！回头，“四妹”再向地球上的各位亲详细汇报她在月球背面的见闻！
来源：北京晚报、中国空间技术研究院
作者：张航、蔡金曼、郭睿
流程编辑：付善元
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