登陆月背“禁区” 中国为什么能做到？

来源：河北工人报
[attachment=494719]
▲“嫦娥三号”
    美国国家航空航天局（NASA）宣布美国新一代登月火箭“太空发射系统”确定于8月29日搭载“猎户座”飞船升空，执行“阿尔忒弥斯1号”无人绕月飞行测试任务。

    面对“阿尔忒弥斯”计划的不断推迟，相比之下，我国的探月工程则稳扎稳打，按部就班，有序进行。

    中国探测器登陆月背的探险之旅，让人心潮澎湃，感慨万千。面对月之暗面这一人类“禁区”，中华民族展现出了“敢为天下先”的魄力和勇气，迈出了人类探测器登陆月背的第一步。而嫦娥工程也帮助我们揭示了月面的诸多秘密，并使我国成为人类探索月背的先驱。

    我国未来深空探测任务将重点开展月球永久阴影探测、小行星采样返回探测、火星采样返回探测、木星及行星际穿越探测、太阳系边际探测等一系列深空探测活动。

    回首我国探月历程，有一帆风顺，也有跌宕起伏。

    01

    “嫦娥一号”：

    飞出地球母亲的怀抱

    “嫦娥一号”的成功发射，正式拉开了中国月球探测的大幕，也标志着我国成为继俄罗斯、美国、日本和欧洲之后的第五个发射月球探测器的国家（组织）。

    “嫦娥一号”的奔月之路分为四个阶段，即停泊轨道段、地月转移轨道段、月球捕获轨道段和环月长期运行轨道段。

    起飞，进入停泊轨道

    2007年10月24日18时05分，长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心腾空而起，把“嫦娥一号”精准地送入了预定轨道。

    此前中国航天历次飞行控制任务均属于对绕地球飞行的卫星进行控制，最远距离不过8万千米。而这次“嫦娥一号”的最远飞行距离达到了41万千米。如果把“嫦娥一号”比作巨大的风筝，地面测控系统和飞控中心就是放风筝的人，只是使用的不是风筝线，而是电磁波。

    卫星从38万千米外传回的电磁信号强度只相当于近地轨道传回信号的百万分之一。而且，嫦娥一号携带天线的最大发射功率只有12瓦，微弱的信号混杂在各类空间复杂的电磁噪声中，给测控设备跟踪和飞控任务带来了很大的困难。在当时的条件下，主要依靠喀什12米测控站、青岛10米测控站、圣地亚哥9米测控站、欧洲航天局国际联网测控站完成飞控工作。

    “嫦娥一号”正式踏上奔月之路前，需要在地球停泊轨道进行4次轨道控制。第一次控制在远地点点火，将近地点高度从约250千米抬高到600千米，并将近地点调整到国内测控区的上空，为后续3次近地点加速做好铺垫。前两次近地点调相控制先将远地点高度由5.1万千米抬高到7.2万千米，再抬高到12.1万千米，轨道周期由16小时调整到48小时，为地月转移做好了准备。

    月球终现真容

    当“嫦娥一号”抵近月球时，需要对它进行一次“太空刹车”，使它顺利被月球引力捕获。近50年人类的探月史上，航天器“太空刹车”的成功率只有50%。

    这是中国人第一次操控探测器进入月球轨道，其意义太重大了，为了降低风险，“嫦娥一号”采取3次制动方式，逐步降低环月轨道高度。

    我们把“嫦娥一号”称为探路者，因为它是我国第一个进入地月转移轨道的航天器，也是我国第一个被月球引力捕获的航天器。利用“嫦娥一号”拍摄的照片，我国第一次发布了高精度全月图，分辨率达到120米，是当时世界上公开发布的精度最高的全月图。

    2007年11月20日至2008年7月29日，“嫦娥一号”共绕月飞行3000余圈，并采取扫描的方式，完成了全面图像获取工作。

    在完成全部探测和科研任务后，2009年3月1日，“嫦娥一号”累计飞行494天，5514圈，就在这一天，“嫦娥一号”以撞击月球这一悲壮的方式结束了它的使命。

    02

    嫦娥二号：

    从月球走向深空

    “嫦娥二号”发射采用的是长征三号丙运载火箭。这一次，火箭的推力可以直接将“嫦娥二号”送入地月转移轨道，不再需要绕地球兜圈了。基于这次成熟的技术，其后的“嫦娥三号”“嫦娥四号”都是由火箭发射直接进入地月转移轨道的。

    为“嫦娥三号”铺路

    2010年10月1日18时59分57秒，“嫦娥二号”在西昌卫星发射中心成功发射。冲劲十足的它直接进入了地月转移点，并在10月2日凌晨3时39分拍下了路上的风景——地球和月亮。

    2010年10月6日11时06分，飞控中心发出了第一次近月制动指令，“嫦娥二号”开始“刹车”，在距离月球100千米的地方被月球捕获，进入了12小时的椭圆形环月轨道。相比于“嫦娥一号在近月点200千米被月球捕获，这次操作难度提升了一大截。在这之后，“嫦娥二号”与“嫦娥一号”一样，还有2次近月制动，第二次制动让其进入了3.5小时小椭圆形环月轨道，第三次制动则进入了高度100千米的118分钟极月圆轨道。

    由于轨道高度由“嫦娥一号”时的200千米降低到100千米，因此拍摄的月面更清晰。历时199天，“嫦娥二号”总共拍摄了600多幅照片，其中384幅照片被用于制作7米分辨率的全月球地形影像。

    为完成对“嫦娥三号”预选着陆区高分辨率成像和对后续软着陆任务关键技术的先期验证，2010年10月26日，飞控中心对“嫦娥二号实施了降轨控制试验。卫星成功由100千米x100千米的圆轨道进入了100千米x15千米的试验轨道。之所以选择这样一条试验轨道，是因为原定“嫦娥三号”动力下降前的准备轨道正是这个椭圆轨道。

    降轨控制的另外一个目的就是让“嫦娥二号”对“嫦娥三号”预选着陆区——虹湾进行高分辨率成像。“嫦娥二号”相机在100千米轨道的分辨率优于10米，在100千米x15千米的轨道上时，近月点拍照分辨率能够达到1米。这么高的分辨率，一方面，可以为地质学家提供更精细的立体图像，促进对月球地质构造的研究；另一方面，为“嫦娥三号”选取安全着陆区奠定了坚实的基础。

    孤独的旅程

    “嫦娥二号”在2011年4月1日达到了设计寿命，完成了所有工程和科学目标。由于飞控中心的精心呵护，它不仅状态良好，还剩余了不少推进剂，也就是说，它还有充足的动力可以继续飞行。

    其实，从“嫦娥二号”发射成功之日起，有关它的最终归宿就一直是人们最感兴趣的话题。关于它的归宿有5种选择：撞击月球；向深空飞行；对小行星以及拉格朗日点进行探测；继续运行在环月稳定轨道，用于对2012年底建成的测控系统35米和64米深空大天线更远距离的测控能力的验证；返回地球轨道。

    2011年6月8日至9日，飞控中心对“嫦娥二号”实施了两次加速控制，使其飞离了月球轨道，成功进入L2转移轨道，正式向日——地拉格朗日L2点进发。

    这趟旅程飞行了150万千米，历时77天。2011年8月25日，“嫦娥二号”来到了日—地拉格朗日L2点的环绕轨道。我国成为了世界上第三个造访此处的国家，也是世界上首个从月球飞往此处的国家，路上还顺便开展了日地空间环境探测，真的是一举多得。

    03

    “嫦娥三号”：

    踏上“广寒宫”

    前两次都是绕月，而落月这个重大的突破就要由“嫦娥三号”来完成了。2013年12月2日1时30分“嫦娥三号”从西昌卫星发射中心发射升空，这次我们使用的是更大推力的长征三号乙运载火箭。

    7500牛推力无级变速

    近月制动是月球捕获的关键，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的主发动机推力都只有490牛，而“嫦娥三号”是全新研制的7500牛的变推力发动机，它可以通过一次制动就进入100千米的环月轨道。

    2013年12月14日21时11分，“嫦娥三号”顺利地落在了月球表面，落点坐标为北纬44.12度、西经19.51度。2016年1月4日，国际天文联合会（IAU）正式批准嫦娥三号着陆点周边区域命名为“广寒宫”。

    “嫦娥三号”实现了中国首次月球软着陆，接下来就要控制“玉兔一号”从“嫦娥三号”上走下来。飞控中心的驾驶员们就是“玉兔一号”的眼睛、大脑，更是它的生命保障。

    着陆大约4分钟后，飞控中心的操控人员需要立即对“玉兔一号”进行月面初始化操作，决定采取什么方式从“嫦娥三号”上走向月面，以及走下来将要面临的各种情况和处置方法。整个过程从12月14日晚上一直持续到15日早上4时35分，“玉兔一号”终于在月球上留下了中国探测器的第一履足迹。

    定格114.8米

    自从“玉兔一号”踏足月面后，它的探索工作就开始了。它在第二月昼开展了月面巡视勘察工作，地面控制累计移动29.7米后到达“嫦娥三号”西南方向的预定科学探测点，并圆满完成各项科学探测任务。

    2014年1月15日5时43分至1月16日1时53分，“玉兔一号”在第二次科学探测过程中累计移动26.2米，完成图像拍摄和科学探测数据下传后，受复杂月面条件影响，月球车结构控制系统状态异常。地面连续进行了故障处置后未能排除故障。1月23日12时42分，控制“玉兔一号”在故障状态下进入第二月夜“休眠”。

    经第三月昼的故障处置后，依然未能排除故障。为扩大探测成果，在进行故障处置的同时，地面多次控制打开“玉兔一号”各类相机和有效载荷，获取了大量有效的探测数据和图像数据。2月23日下午，地面控制“玉兔一号”进入第三月夜“休眠”。

    在圆满完成3个月的设计寿命后，“玉兔一号”由于故障停止了前进的脚步，行驶距离永恒地定格在了114.8米。但“嫦娥三号”和“玉兔一号”所取得的开创性成果和经验教训，仍为中国探月工程后续任务的实施打下了坚实的基础。

    “嫦娥三号”第一次实现了中国在月面的软着陆。如今，它又已成为全世界在月球上工作时间最长的探测器，我们月球上的“老寿星”每一天都在创造新的世界纪录。

    04

    登陆月背

    1959年，人类探测器首次登陆月球。1969年，美国宇航员阿姆斯特朗在月球上留下了人类的第一个足印。可是月球背面却从来没有人类到访过。由于月球背面一直背对着地球，人们始终无法窥其一角，因此也产生了很多有意思的想象和推测，有人说那里是外星人的基地，有人说那里有UFO。同样，中国航天人也对这一神秘之地充满向往。

    地月信使“鹊桥”中继星

    由于天体“潮汐锁定”效应，月球只能正面对着地球，一旦“嫦娥四号”降落在月背，地球上的测控站无法与月球背面建立无线电通信。

    解决方案是什么？那就是中继星。

    茫茫太空，我们究竟要把“鹊桥”搭建在哪里，才能更好地满足任务需要呢？这一次轨道专家们选择了地——月L2点。

    “鹊桥”虽然选择了L2点，但是不等于简单地飞到L2点就行，毕竟地——月L2点也被月球挡住了。所以，我们要做的是让“鹊桥”中继星围绕L2点在一个轨道上进行长期飞行。我们最终选择了Halo轨道。这个轨道是绕L2点飞行的一个周期轨道，从地球往月球方向看去近似一个椭圆形。

    解决了“鹊桥”的工作轨道问题后，下面要考虑的就是怎样飞往Halo轨道了。飞控轨道专家们给出了3种方式：直接转移、低能转移和月球引力辅助变轨转移。

    2018年5月21日5时28分，我国首颗月球中继星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。5月25日，“鹊桥”成功实施近月制动，顺利进入月球至地——月L2点的转移轨道。6月14日，“鹊桥”成功进入Halo轨道，成为世界上首颗运行在地——月L2点Halo轨道的中继卫星！

    2018年12月8日2时23分，“嫦娥四号”搭乘长征三号乙火箭，从中国西昌卫星发射中心发射升空。12月12日到达月球附近，并在飞控中心的精确控制下成功进入环月飞行轨道。

    意外发生

    俗话说，天有不测风云。“嫦娥四号”的奔月之旅开局后不久就出现了突发状况。

    12月8日上午9时，一个紧急情况传到了会场，探测器燃料意外泄漏。初步计算的燃料损失量已经远超推进剂设计余量，这意味着如果还按照前期反复论证和演练的轨道控制方案，“嫦娥四号”将无法安全落月，从而直接导致整个任务前功尽弃。

    早在任务准备阶段，轨道专家组就经过反复研究论证，提出了一种新的联合优化控制技术，既能保证各个阶段定点、定时着陆的控制，还能为“嫦娥四号”的动力下降提供更多的推进剂节余。

    有了联合优化控制技术作为基础，轨道专家组通宵达旦地连续奋战，一套精确成熟的轨道重构设计方案终于如期交付，并顺利通过了评审。

    令人惊叹的是，直到2019年1月3日实施动力下降时，“嫦娥四号”仍有近3千克的推进剂节余，没有动用1克动力下降燃料。

    “嫦娥”登台表演

    “嫦娥”抱“玉兔”，翩然落月宫。2019年1月4日晚，在飞控中心的控制下，“玉兔二号”顺利进入午休状态。人们将目光从“玉兔”身上转移到了“嫦娥”的身上。此时，“嫦娥”在忙什么呢？

    “嫦娥四号”代表人类探测器第一次登陆月背，其携带的装备自然不同凡响，其中就有我国自行研制的低频射电频谱仪。

    低频射电频谱仪主要用来探测波长10米及以上的低频电磁波。这类电磁波几乎无法穿透大气层进入地球，因此月球所处的空间环境就是一个绝佳的观测场所。特别在月球背面可以更好地屏蔽来自地球的射电干扰，从而获得最佳的观测效果。

    地面按计划控制低频射电频谱仪完成了低频信号探测试验，为后续获取空间低频电磁数据奠定了坚实基础，也将有效填补地月射电天文观测上的空白！

    站在月背之上，环顾四周，看到的将是一幅怎样的景象呢？1月6日，飞控中心按计划实施“嫦娥四号”地形地貌相机环拍计划及图像下传。经拼接处理，第一张月背全景图展现在飞控大厅的大屏幕上。原来，月背的风光也格外迷人！

    “两器互拍”是着陆月背过程中的一场重头戏，也是“嫦娥四号”任务宣布圆满成功的重要任务目标。“玉兔二号”午休结束后，飞控中心一刻不停地驾驶“玉兔二号”向“嫦娥四号”北侧预定成像点进发。

    1月11日13时47分，“嫦娥四号”地形地貌相机在偏航172°、俯仰-60°位置对“玉兔二号”进行了静态成像。图像处理结果传回后，“玉兔二号”安静地出现在了画面中央，图像亮度适中，月面上车辙清晰，“嫦娥四号”天线的阴影完全消失，“玉兔二号”车身上的国旗展露着一抹绚烂的色彩。

    16时41分，“嫦娥四号”对“玉兔二号”进行正式成像，16时46分，图像下传完毕，地面处理显示正常，“两器互拍”工作完成！

    在“嫦娥四号”与“玉兔二号”互拍成功，并向全世界宣告中国探测器成功实现着陆月背后，海内外媒体彻底沸腾了。

    美国国家航空航天局（NASA）局长第一时间在社交媒体上向中国“嫦娥四号”团队表示祝贺：这是人类史上的首次，更是一项“令人印象深刻的成就”！

    ■据《国家人文历史》

dongzi	2022-09-02 11:45
b1?^9c#0d “嫦娥三号”： Sh(ys*y> }>6e-]MHfR 踏上“广寒宫”

ZX68	2022-09-02 19:52
:j`f%Vg~x bRu9*4t kqKT>xo4EZ 中国探测器登陆月背的探险之旅。 5)< Y3nU~

查看完整版本: [-- 登陆月背“禁区” 中国为什么能做到？ --] [-- top --]

Powered by PHPWind v7.5 SP3 Code © 2003-09 PHPWind
Time 0.017214 second(s),query:2 Gzip enabled

You can contact us