中国探月工程总设计师团队:梳理嫦娥四号的技术突破

学术头条

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· 2020.12.07

中国探月工程总设计师吴伟仁院士团队梳理嫦娥四号的技术突破。

文 | 学术头条

长久以来,人类对 “月亮” 始终怀有别样的情感,古有李白诗曰 “欲上青天揽明月”,而到了现代文明中,人类则通过科学技术,成功开启了一段又一段探月之旅。

2020 年 11 月 24 日 4 时 30 分,嫦娥五号月球探测器在中国文昌航天发射场成功发射,长征五号遥五运载火箭顺利将其送入预定轨道,至此,以 “嫦娥奔月” 神话故事命名的中国月球探测工程已成功实施 5 次发射任务。嫦娥五号的发射将实现中国首次月球无人采样返回,助力深化月球成因和演化历史等科学研究。

而除了嫦娥五号发射这一激动人心的消息之外,科学家们也始终在探月历程中不断寻求新的突破并进行探月技术总结。

不久前,Science China Information Sciences 第 10 期就发表了中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁的英文评述 “Technological breakthroughs and scientific progress of the Chang'e-4 mission”,文章中回顾了嫦娥 4 号工程的实施过程,梳理了嫦娥 4 号所取得的技术突破和探测成果,为后续月球探测提供了重要参考。

论文原文:http://scis.scichina.com/en/2020/200201.pdf

嫦娥四号:创下多个“人类首次”的中国探月任务

2018 年 12 月 8 日凌晨 2 时 23 分,嫦娥四号探测器与着陆器、玉兔 2 号月球车成功发射升空;2019 年 1 月 3 日上午,嫦娥四号成功降落在月球背面(即远离地球的一侧),成为人类第一个在月背软着陆的探测器。

要知道,由于月球的自转周期和公转周期相同,自古以来,人类都只能看到月球的 “正脸”,虽然国内外绕月探测器已经得到了月球背面的影像,却从来没有探测器能够着陆于月球的背面并开展探测任务。

因此,嫦娥四号工程的重要性不言而喻。

嫦娥四号着陆地点为月球南极的埃特肯盆地(Aitken basin),该盆地其实是月球上的一次古代碰撞事件留下的一个巨大陨石坑,约有 13 公里(8.1 英里)深。由于巨大撞击,科学家认为此处的月球地壳和地幔很可能暴露在外,如果嫦娥四号能够找到并研究其中的某些物质,那么人类将对月球的内部结构和起源有前所未有的了解。

月球南极及嫦娥四号着陆点的模拟视图(来源:planetary society)

月球南极及嫦娥四号着陆点的模拟视图(来源:planetary society)

嫦娥四号任务的目标包括:测量月球岩石和土壤的化学成分、了解月球地质学特征、进行低频射电天文观测和研究、宇宙射线研究、观察日冕并研究其辐射特征和机理,以及探索日冕物质抛射(CME)在太阳与地球之间的演化和传输,还将尝试在月球上养蚕。

值得一提的是,为了表彰此次探索的科学成就,国际宇航联合会(IAF)向嫦娥四号团队优秀代表吴伟仁、余登云、孙泽洲颁发世界空间奖,这是 70 年来该奖项首次授予中国航天科学家。该奖项旨在表彰在太空科学、太空技术、太空医学、太空法或太空管理方面做出的杰出贡献。此外,嫦娥四号任务团队还获得了美国航天基金会 2020 年度航天唯一金奖,国际月球村协会自成立以来的首个优秀探月任务奖,英国皇家航空学会 2019 年度全球唯一的团队金奖等多项殊荣。

正如嫦娥四号探测器副总设计师贾阳所说:“我国探月工程,不断写下中国人探索浩瀚宇宙的崭新篇章。但从嫦娥四号起,中国航天的历史才开始不断出现‘人类首次’字样。”

相关重大技术突破与科学进展

嫦娥 4 号工程极其复杂,由高级任务设计部分和五个附属工程系统组成,分别是探测器、运载火箭、发射场、TT&C(telemetry、track and command 遥测、跟踪和指挥,是一种 GPS 缩略语)和地面应用系统。

图:嫦娥四号的五个附属工程系统示意图(来源:论文)

图:嫦娥四号的五个附属工程系统示意图(来源:论文)

而要最终实现前述的众多任务目标,嫦娥四号工程必须解决众多技术难题,也正是在这一过程中,它最终实现了许多重要技术突破和重大科学进展。

首先,嫦娥四号在世界上首次实现了地球与月球背面之间连续可靠的中继通信,解决了通信卫星与月球背面稳定中继通信的困难,中继通信距离更是从 40000 公里提高到 450000 公里。

科研人员还开发了第一颗小尺寸、长寿命的数据中继通信卫星,以及用于深空的低质量、高增益、抗低温的大直径天线,其抗低温工作时长从 2h 提高到 6h,可抵抗的低温极限也从 - 180◦C 提高到 - 235◦C,实现了超低温环境下的安全操作和精确指向。

其次,嫦娥四号首次在月球背面实现自主避障和高精度着陆。由于月球背面的地形崎岖,嫦娥四号的可着陆面积仅为嫦娥三号的 5%,因此,团队提出了基于近月制动和环月校正的双层迭代联合轨道控制方法,实现了在同一狭窄区域着陆的目标。

嫦娥四号还具有自主选择着陆地点和准确避障的能力,实现了自主精确避障、快速自主诊断故障和系统重构等关键技术的异构集成,其避障范围高达 300m。

此外,在嫦娥四号工程中,中国首次自主成功研发了放射性同位素热电发电机 (RTG)。开发 RTG 是为了探测器在 210℃的温差下仍可保持稳定发电。团队还提出了一种基于 RTG 电源的月球夜间自动测温方法,让人们了解月球环境的温度条件。

图:月球表面昼夜温度的测量曲线,最低温度为 - 196◦C(来源:论文)

图:月球表面昼夜温度的测量曲线,最低温度为 - 196◦C(来源:论文)

不仅如此,在此次嫦娥四号工程中,CZ-4C 运载火箭的弹道进入精度也被提高了一个数量级。当最高点达到 42 万千米时,运载火箭 CZ-3B 的在轨精度偏差从 1000 公里优化至 100 公里,所节省的推进剂可将中继通信卫星的寿命从 3 年提高到 10 年。

另一技术突破则当属两颗卫星莫属。2018 年 5 月 21 日,“鹊桥” 中继卫星先行发射,发射后运行在 “地月系统拉格朗日 - 2 点”(简称 L2 点),以便为嫦娥四号探测器提供地月中继通信支持。而随中继通信卫星一起发射的,还有微型卫星 “龙江”。这是世界上第一颗独立完成从地球转移到月球、月球附近制动和沿月球轨道运行的微型卫星。该微型卫星在月球轨道上进行了参数波天文观测,验证了深空微型卫星平台技术,此外,“龙江” 还配备了沙特阿拉伯研制的光学照相机,用于对月球进行成像观测。

“龙江”微型卫星(来源:论文)

“龙江”微型卫星(来源:论文)

梦想成真:“嫦娥奔月” 月球探测大事一览

曾经,人们想象着在月宫之上的嫦娥和玉兔,感叹 “不知天上宫阙,今夕是何年”。而如今,中华民族千百年来的 “飞天梦” 在一代代中国航天人的努力下终于成为了现实。

1991 年,中国航天专家提出开展月球探测工程;2004 年 1 月,中国绕月探测工程正式立项,命名为 “嫦娥工程”。中国嫦娥工程分为无人月球探测,载人登月,建立月球基地三阶段。

2007 年 10 月,中国首颗月球探测卫星嫦娥一号卫星在西昌卫星发射中心成功发射,在轨有效探测 16 个月,获得中国第一幅全月球影像图,而后于 2009 年 3 月成功受控撞月,实现中国自主研制的卫星进入月球轨道。

2010 年 10 月,嫦娥二号成功发射,作为先导星,嫦娥二号为二期工作进行多项技术验证,并开展多项拓展试验。2013 年 12 月,嫦娥三号探测器成功发射并实现落月,带着中国第一艘月球车 “玉兔号” 开展月面巡视勘察,嫦娥三号着陆器还创造出迄今月球表面工作时间最长人造航天器的纪录。此次正是吴伟仁院士主持实现嫦娥三号月球软着陆和巡视探测,树立了中国航天新里程碑。

2014 年 10 月,中国实施探月工程三期再入返回飞行试验器,准确进入近地点高度 209 公里、远地点高度 41.3 万公里的地月转移轨道。2016 年 2 月,嫦娥三号着陆器成功自主唤醒,进入第 28 个月昼,工作正常。

2018 年 5 月,探月工程嫦娥四号中继星 “鹊桥” 成功发射,顺利进入月球至地月拉格朗日 L2 点的转移轨道,成为世界首颗运行在地月 L2 点 Halo 轨道的卫星。同年 12 月,嫦娥四号探测器成功发射升空。

2020 年 11 月,嫦娥五号月球探测器在中国文昌航天发射场成功发射。至此,以 “嫦娥奔月” 神话故事命名的中国月球探测工程已成功实施 5 次发射任务。

参考资料:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11432-020-3047-4
https://mp.weixin.qq.com/s/N0C_PbQ70iTNRs9JPb2Ifw
https://en.wikipedia.org/wiki/Chang%27e_4
https://www.planetary.org/space-missions/change-4
https://www.space.com/china-chang-e-4-moon-mission-lunar-day-23
https://www.iafastro.org/activities/honours-and-awards/iaf-world-space-award.html
http://www.cae.cn/cae/html/main/colys/03022221.html

 
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