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玉兔二號着陸器互拍 看嫦娥四號在月背做的三件大事

http://finance.sina.com   2019年01月11日 17:29   北京新浪網

  來源:中國科普博覽

  還記得2013年12月15日,玉兔號踏上月面之後,着陸器的地形地貌相機和月球車玉兔的全景相機的兩器互拍麼?

  午休之後的玉兔二號於1月10日被喚醒。11日,時隔5年,我們再次看到了着陸器和月球車歷史性的兩器互拍!

  據新華社報道,11日下午,嫦娥四號着陸器與玉兔二號巡視器工作正常,在“鵲橋”中繼星支持下順利完成互拍,地面接收圖像清晰完好,中外科學載荷工作正常,探測數據有效下傳,搭載科學實驗項目順利開展,達到工程既定目標,標誌着嫦娥四號任務圓滿成功。至此,中國探月工程取得“五戰五捷”。

嫦娥四號着陸器與玉兔二號巡視器互拍(來源:央視)嫦娥四號着陸器與玉兔二號巡視器互拍(來源:央視)

  一、嫦娥四號着陸後的日程安排

  2019年1月3日上午10:26,嫦娥四號月球探測器順利着陸在月球背面東經177.6°,南緯45.5°的馮·卡門撞擊坑中,成爲人類首顆成功軟着陸月球背面的探測器。

  1月3日22:22分,月球車“玉兔二號”順利踏上月球背面!它將接替玉兔號月球車,成爲“看星星最多的兔子”!

不(左上)嫦娥四號降落相機的照片和LROC NAC影像的匹配,來源:LROC/ASU[1](左下)馮·卡門撞擊坑位置(右)嫦娥四號着陸區。來源:LROC WAC/NAC/haibaraemily 上圖右邊這個大約3×5公里的區域,就是小兔子着陸後,在月背的主要活動範圍。  不(左上)嫦娥四號降落相機的照片和LROC NAC影像的匹配,來源:LROC/ASU[1](左下)馮·卡門撞擊坑位置(右)嫦娥四號着陸區。來源:LROC WAC/NAC/haibaraemily 上圖右邊這個大約3×5公里的區域,就是小兔子着陸後,在月背的主要活動範圍。

  從1月3日22:22分到1月4日晚17:00,嫦娥四號已完成:

  着陸器與玉兔二號巡視器(月球車)分離

嫦娥三號釋放月球車玉兔號(左)和嫦娥四號釋放月球車玉兔2號(右),由各自的監視相機C拍攝。來源:探月工程嫦娥三號釋放月球車玉兔號(左)和嫦娥四號釋放月球車玉兔2號(右),由各自的監視相機C拍攝。來源:探月工程

  着陸器上的低頻射電頻譜儀的三根5米天線展開到位

  着陸器上的德國月表中子及輻射劑量探測儀(LND)開機測試

  着陸器上的地形地貌相機拍攝的影像圖陸續通過中繼星鵲橋傳回地球

  玉兔二號與中繼星成功建立獨立數傳鏈路,完成了環境感知、路徑規劃

  玉兔二號按計劃在月面行走到達A點,測月雷達、全景相機已開機,工作正常。其他有效載荷陸續開機。

着陸器監視相機C拍攝的行走到A點的玉兔二號。着陸器監視相機C拍攝的行走到A點的玉兔二號。

  這裏就是玉兔二號的A點了,此前幾天裏,嫦娥四號迎來了月晝的高溫考驗。爲了應對高溫,玉兔二號選擇擇機進入“午休”模式。小兔子在這裏進行了午休。

  二、嫦娥四號在月背做的三件大事

  嫦娥四號此行主要有三大目標:

  1、探測月球背面巡視區的地形地貌、礦物成分;

  2、探測背面巡視區的淺表層結構;

  3、利用月球背面得天獨厚的射電天文環境展開低頻射電天文觀測。

  要完成這些目標,嫦娥四號帶了不少“身懷絕技”的科學儀器。

  作爲嫦娥三號的備份機,嫦娥四號不管是外形還是攜帶的科學儀器都很大程度上繼承了嫦娥三號,各自都攜帶了8個科學儀器,但根據實際探測目標和探測環境的變化對攜帶的科學儀器做出了新的調整[2-4]。

1。 降落相機(着陸器):看清降落過程中的月表狀況1。 降落相機(着陸器):看清降落過程中的月表狀況

  降落相機位於着陸器底部,大小116×100×70.4毫米,重約0.5公斤,硬件指標與嫦娥三號的着陸相機相同。

  降落相機的主要任務是在着陸器降落過程中獲取不同時段不同高度處降落區域的地形地貌數據,因此會一直垂直指向月表。

  嫦娥四號動力下降過程中(左)和軟着陸月背後(右)降落相機拍攝的月面。來源:中國航天科技集團、探月工程

  這兩張就是1月3日嫦娥四號降落相機拍攝的月面照片[5],上一節介紹的嫦娥四號具體着陸區範圍就是根據這些照片判斷的。

  由於降落相機只在降落過程中使用,所以它的工作時間非常短,只有幾分鐘。

  也就是說,早在1月3日,降落相機就已經出色完成了任務!

  2。地形地貌相機(着陸器):看清着陸區附近的地形地貌

  地形地貌相機位於着陸器頂部,大小爲92×105×118.9毫米,重約0.64公斤,可以拍攝可見光波段下的彩色影像,硬件指標與嫦娥三號的地形地貌相機相同,由中科院光電技術研究所研製。

  地形地貌相機的主要任務是拍攝月球表面和月球車的影像,可以拍攝着陸區周圍360°的全景照片。

  這是當年嫦娥三號的着陸器地形地貌相機在2013年12月20日拍攝的全景照片拼接圖,可以看到自己的太陽能板和一部分組件、遠處的月球車玉兔,以及玉兔留下的車轍。

來源:Chinese Academy of Sciences / Don Davis [6]來源:Chinese Academy of Sciences / Don Davis [6]

  2019年1月11日,嫦娥四號的地形地貌相機也給我們帶來這樣壯觀的景色。

“嫦娥四號”着陸器地形地貌相機環拍全景圖(圓柱投影)(圖片來源:國家航天局)“嫦娥四號”着陸器地形地貌相機環拍全景圖(圓柱投影)(圖片來源:國家航天局)
“嫦娥四號”着陸器地形地貌相機環拍全景圖(方位投影)(圖片來源:國家航天局)“嫦娥四號”着陸器地形地貌相機環拍全景圖(方位投影)(圖片來源:國家航天局)

  3。低頻射電頻譜儀(着陸器):開展天文觀測

  低頻射電頻譜儀是嫦娥四號爲了充分利用月球背面天然無干擾的射電天文環境而新搭載的儀器,任務是在月球背面進行太陽低頻射電特徵和月表射電環境的觀測,填補0.1-40 MHz範圍內的射電觀測空白[1]。

  3根5米長的低頻射電頻譜儀天線是爲了分別接收電磁波信號的三個相互垂直的分量,這也是嫦娥四號着陸器與3號在外形上最顯著的區別。

來源:中國探月工程來源:中國探月工程

  由於電離層的阻擋,波長10米以上的電磁波幾乎完全無法穿透大氣來到地球表面,想要對這類以及波長更長的低頻電磁波進行觀測,就必須離開地球大氣層——月球背面就是一個極佳的觀測場所。

地球大氣的電磁波窗口。來源:維基地球大氣的電磁波窗口。來源:維基

  事實上,除了地球電離層的干擾,月球背面的低頻射電觀測還能有效屏蔽人類活動的干擾——10米以上在天文上是所謂的超長波(低頻),但在人類社會活動看來卻屬於“短波”(“高頻”)段,這可是民用無線電廣播的主要頻段。

  另一方面,着陸器上搭載的低頻射電頻譜儀還會與鵲橋中繼衛星上攜帶的荷蘭研發的低頻射電探測儀(NCLE)(0.1-80 MHz)協同觀測,互爲驗證和補充。

  4。月表中子及輻射劑量探測儀[德](着陸器):探測月表輻射劑量

  與德國基爾大學合作研製,搭載在着陸器上,目標是測量月表包括帶電粒子、γ射線和中子的綜合粒子輻射劑量和LET譜,以及月錶快中子能譜、熱中子通量等參數。

兩個盒子分別是月表中子及輻射劑量探測儀的傳感頭和電子單元。來源:[7]兩個盒子分別是月表中子及輻射劑量探測儀的傳感頭和電子單元。來源:[7]

  測這些可以做什麼呢?最直接的目的可以實地探測月球表面的輻射劑量。

  人類想要探索太空,就必須要保護自己免於各種空間輻射的傷害,那首先我們就得知道不同地方的輻射劑量有多大。

  近地軌道上的輻射劑量可以由空間站的宇航員直接測量,那月球的呢?目前爲止只有兩個探測器進行過測量——印度月船1號上的輻射劑量檢測儀(RADOM,不過這個儀器並不是印度自己的,而是保加利亞科學院研製和搭載的)和NASA月球勘測軌道飛行器(LRO)搭載的宇宙射線望遠鏡(CRaTER),但這兩個探測器都只是測量了環月軌道(距離月球表面分別爲100公里和50公里高度)上的輻射劑量。

  迄今爲止,我們還沒有對月球表面的輻射(包括一次輻射和二次輻射)進行過實地探測[7]——這正是嫦娥四號將要做的。也就是說,嫦娥四號將首次測量月球表面的各種粒子輻射劑量,爲未來載人登月的安全活動和月表綜合粒子輻射模型修正提供數據支持。

  除了測量月表輻射之外,對熱中子的測量還能幫助我們估算着陸區淺表層的水含量(實際探測的是氫,注意這裏的水也是各種形態的水的統稱,可能是水冰,也可能是羥基)。不過需要注意的是,這裏的“探測水”和探測月球極區永久陰影區中的可能暴露的水冰完全不是一回事——極區永久陰影區通常分佈在南北緯70度以上的極區,而馮·卡門撞擊坑僅僅在中緯度(南緯45度)而已,離永久陰影區還遠得很吶。

  5全景相機(巡視器):拍攝月球車沿途情況

  巡視器(月球車)上搭載了2臺全景相機,大小90×110×120毫米,總重約0.69公斤。嫦娥四號上搭載的全景相機與嫦娥三號上的全景相機是“雙胞胎”,是當年製造嫦娥三號的時候由中科院西安光機所同時研製生產的。

  全景相機安裝在月球車的桅杆上,可以實現對月球車沿途不同測區的360°黑白和彩色成像,還能通過2臺相機對目標進行立體成像。

這是當年嫦娥三號的月球車玉兔在N205點拍攝的全景照片拼接圖,可以看到自己的低頻測月雷達天線、自己碾過的車轍,以及遠處的着陸器。來源:[7]這是當年嫦娥三號的月球車玉兔在N205點拍攝的全景照片拼接圖,可以看到自己的低頻測月雷達天線、自己碾過的車轍,以及遠處的着陸器。來源:[7]

  6紅外成像光譜儀(巡視器):分析月表礦物成分

  紅外成像光譜儀位於月球車前側,大小255×172×162毫米,重約4.69公斤,有可見光近紅外(450-950納米)和近紅外短波紅外(900-2400納米)兩個通道,硬件指標與嫦娥三號的紅外光譜儀大致相同,由上海技物所研製生產。

  紅外成像光譜儀主要是通過測量目標區域的光譜,通過光譜中的吸收特徵來探測月球車沿途有哪些礦物,分佈是什麼樣的。由於嫦娥四號月球車不再攜帶粒子激發X射線譜儀(因此也就不需要機器臂了),紅外成像光譜儀就成了嫦娥四號上唯一一臺器上可以進行化學成分分析的儀器。

  7測月雷達(巡視器):探測月球淺表層結構

  由中科院電子所研製,通過主動發射和接收電磁波信號來探測月球車沿途地下的淺表層結構剖面,例如月壤厚度、月殼淺層結構等,幫助我們追溯巡視區所在區域的地質歷史。

  測月雷達的主要原理是不同物質的介電常數(可以簡單理解爲讓電磁波衰減的能力)不同,因此探測器收到的從不同物質分界面反射回來的電磁波的時間和強度就會不同。那麼反過來,通過測量到的雷達接收時間和反射強度,就可以反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質,每層物質有多厚。

測月雷達的工作原理。來源:IECAS測月雷達的工作原理。來源:IECAS

  嫦娥四號和三號一樣,搭載了2個不同頻率的測月雷達,爲的是兼顧探測深度和探測分辨率:

  低頻測月雷達(第一通道)天線位於月球車後部,中心頻率40~80 MHz,分辨率較低(米級),但可以探測較深的地下結構(≥100米);

  高頻測月雷達(第二通道)天線位於月球車底部,中心頻率250-750 MHz,分辨率較高(≤30釐米),但只能探測較淺的地下結構(≥30米)。

紅色箭頭所指的就是2根低頻測月雷達天線,高頻測月雷達是蝶形天線,安置在月球車底部。改編自:中國航天科技集團紅色箭頭所指的就是2根低頻測月雷達天線,高頻測月雷達是蝶形天線,安置在月球車底部。改編自:中國航天科技集團

  8中性原子探測儀[瑞典](巡視器):探測太陽風和月壤的相互作用機制

  與瑞典空間物理研究所合作研製,搭載在月球車上。目標是測量月球車沿途0.01-10 keV能量範圍內的能量中性原子和正離子,幫助我們瞭解太陽風是如何與月壤是相互作用的。

嫦娥四號月球車搭載的中性原子探測儀。來源:IRF[8]嫦娥四號月球車搭載的中性原子探測儀。來源:IRF[8]

  不同於有磁場保護的地球,太陽風裏的帶電粒子會長驅直入直接打到月球表面,反射和濺射出能量中性原子(Energetic neutral atom,簡稱ENA)和其他粒子。

  印度的月船1號探測器曾經用由歐空局研製的亞千電子伏原子反射分析儀(SARA)進行過相關觀測,還通過這些探測結果研究了月球區域性的磁異常。

  但月船1號的初步探測結果留下了兩個謎團[8, 9]:1)月船1號只在距月面100公里的環月軌道上進行了探測,但月球表面的情況是怎樣的?2)月船1號的探測結果顯示,太陽風打到月壤上之後,有高達20%的太陽風質子以高能中性原子的形式反射出來,這個比例遠高於之前的理論估計,實際情況真的是這樣嗎?

  這些都是嫦娥4號打算探測和試圖解開的問題,這些探測將幫助我們進一步瞭解太陽風和月壤的相互作用機制。

  這也將是人類首次在月球表面進行中性原子探測。

  9科普載荷(着陸器):種土豆、養果蠅

  除了上面8個科學載荷之外,本次嫦娥四號任務還攜帶了重慶大學研製的科普載荷——月面微型生態圈。 這是一個由特殊鋁合金材料製成的圓柱形“罐子”,高18釐米,直徑16釐米,淨容積約0.8升,總重量3公斤,安置在着陸器上。

  “罐子”裏將放置馬鈴薯種子、擬南芥種子、果蠅、土壤、水、空氣以及照相機和信息傳輸系統等科研設備,觀察和驗證動植物在月面太陽自然光照和低重力條件下的生長狀況。

月面微型生態圈初樣件。來源:重慶大學月面微型生態圈初樣件。來源:重慶大學

 

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