玉兔二号每迈出一步 需要付出多少努力?

观察者网报道:北京时间2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器在月球背面的冯·卡门撞击坑预定区域成功着陆;22时22分,玉兔二号月球车成功与嫦娥四号着陆器分离,在月球背面留下了属于中国的第一道印记。至此,人类历史上第一次月球背面着陆,圆满成功。

图片来源@China Daily

这是嫦娥四号任务系列文章的第四篇,在嫦娥四号登月成为世界焦点的今天,笔者就和各位读者谈一谈嫦娥四号的设计与亮点。

月背航迹

月球的背面是一片崎岖之地。由于月球的同步自转,月球的背面绝大部分区域都是终年朝向太空的。因此,月球背面比常年面向地球的正面更容易遭受小天体撞击,地形也更加不平整,撞击坑、环形山随处可见。

月球正面与背面地形对比| 图片来源李飞等@中国空间技术研究院

而在其中,也蕴藏着更令科学家兴奋的宝地。

南极-艾特肯盆地(South-Pole Aitken Basin, SPA),直径达2000~2600千米,垂直落差13千米,是太阳系中规模最大、最古老、最深的撞击盆地之一,科学研究价值极高。

南极-艾特肯盆地| 图片来源Lunar Reconnaissance Orbiter @NASA

嫦娥四号的着陆地点,就选在南极-艾特肯盆地中的冯·卡门撞击坑。尽管嫦娥四号是嫦娥三号的备份,但在下降着陆策略上,二者却有着很大不同。

究其原因,嫦娥三号的着陆区选择在月球正面的虹湾,地势平坦,航迹高程起伏最大仅3千米,且呈现由南向北逐渐降低的趋势,便于探测器着陆。而嫦娥四号着陆区,地势崎岖,航迹高程起伏陡增至7千米,且变化不规律。

嫦娥三号与嫦娥四号着陆区高程对比|图片来源李飞等@中国空间技术研究院

嫦娥三号在开始动力减速的时候,就利用测距数据修正偏差,使落月过程平稳顺畅。但嫦娥四号如果继续采用嫦娥三号的控制方案,将导致测距波束指向与实际落点不同的位置,为落月带来安全隐患。

嫦娥三号与嫦娥四号动力下降过程|图片来源李飞等@中国空间技术研究院

因此,嫦娥四号的动力下降过程,采用了更为陡峭的轨迹——着陆器在经历主减速段减速后,采用近乎垂直的运动,使测距波束确实指向着陆点位置,保证高度方向导航结果的正确性。再通过接近段、悬停段和避障段,分别实现粗避障、高精度三维成像和精避障,并在缓速下降段保持着陆位置,成功实现了大范围粗避障、小范围精避障和着陆位置保持的接力避障模式——当然,这一切都是自动进行的,无需地面指控中心干预。

最终,在先进的制导导航控制系统(GNC)的指引下,嫦娥四号成功降落于月球南纬45.5度,东经177.6度的预定着陆点,正中靶心。

嫦娥四号着陆点| 图片来源吴伟仁等@探月与航天工程中心,着陆点由笔者添加

精巧设计

1月3日11时40分,嫦娥四号着陆器监相机C获取了世界第一张近距离月背影像图,并通过万里之外的鹊桥号中继星传回地球。

图片来源@中国探月

“终点站冯·卡门撞击坑到了,请全体旅客下车。”

嫦娥四号着陆器的“乘客”,就是玉兔二号月球车,是嫦娥四号的月面巡视器。由于着陆器的底部是7500N变推力发动机,以及配套的隔热屏障,我们的玉兔二号是不能安装在着陆器下方的,只能“顶在”着陆器的最上面。

嫦娥四号着巡组合体| 图片来源吴伟仁等@探月与航天工程中心

为了把玉兔二号顺利转移到月面,匠心独运的中国航天人设计了精巧的转移机构。上图中的黑色部分即为转移机构的悬梯。

具体的过程是:两根悬梯先向上展开到位,锁定;玉兔二号再自行行驶到正确位置,悬梯连杆在“小兔子”的重力和电机的共同作用下,将悬梯下放到位;最后玉兔二号沿悬梯驶向月面。

转移机构工作模式| 图片来源刘宾等@中国空间技术研究院

1月3日22时22分,玉兔二号驶抵月球表面,在下面这张同样由着陆器监视相机C拍摄的照片中,我们能清楚地看到完全展开的悬梯机构。

图片来源@中国探月

还是在这张玉兔二号驶抵月球表面的照片中,眼尖的朋友发现在玉兔左边的月球表面,有一道闪闪发亮的条带。笔者分析,这应当是阳光照到月球车侧面,反射到月球表面的结果。

我们不妨通过玉兔号的热控设计,了解一下玉兔二号的情况。玉兔号巡视器的表面由OSR散热面、F46镀银二次表面镜和多层隔热组件包裹,既能够在高温情况下通过OSR和镀银二次表面镜散热,又能在低温下通过多层隔热组件保温。

玉兔号巡视器散热面布局| 图片来源刘自军等@中国空间技术研究院

在玉兔二号登上月球的时候,太阳光从图片的左后方射入,通过玉兔二号左侧太阳能帆板与主体间的缝隙,照射到主体上方的镀银二次表面镜上,并被反射到月球表面。

作为嫦娥三号的备份,嫦娥四号探测器上的许多精巧设计都经历了嫦娥三号的飞行考验,值得信赖。嫦娥四号任务的顺利进行,与嫦娥三号积累的宝贵经验是分不开的。

创新争先

嫦娥四号着巡组合体,继承了嫦娥三号的优秀基因,但嫦娥四号并没有躺在功劳簿上因循守旧,而是针对新任务进行了大胆创新。

受到地球电离层的影响,人类无法在地球上展开频率低于10MHz的射电天文观测。即使在地球轨道和月球正面,射电天文观测也会受到地球电离层反射和人工无线电的干扰。

而在月球背面,人工无线电干扰被屏蔽,大气层活动产生的电波也被屏蔽,甚至在月夜期间连太阳的电磁辐射也被屏蔽,这使得月球背面成为低频率射电天文观测的绝佳地点。

因此,与嫦娥三号不同,嫦娥四号的主要有效载荷除了必备的地形地貌相机和降落相机以外,选择了低频射电频谱仪和德国基尔大学的月球中子及辐射剂量探测仪(LND),填补了100~1000kHz射电天文观测的空白,有望产生一系列天文和空间物理科学的原创性成果。

嫦娥四号着陆器外观| 图片来源@中国空间技术研究院

上图中,三根长长的天线就是嫦娥四号低频射电频谱仪的三分量有源天线单元。频谱仪工作在0.1~40MHz频段,三根天线分别接收电磁波信号在三维空间内三个互相垂直的分量,可以获得低频电磁波的强度、频谱、时变、偏振特性以及辐射源方位等信息。

目前,嫦娥四号的低频射电频谱仪天线已经展开到位。

另一个值得关注的创新点,是嫦娥四号终于用上了中国自己的同位素温差发电机(RTG)。

同位素温差发电机是一种用于深空探测颇为理想的电源,它通过放射性同位素的衰变产生的热量进行发电,既能使探测器飞离太阳时不依赖太阳能电池供电,又能提供充沛的热能,确保探测器不在酷寒的深空中“冻死”。

在嫦娥三号任务中,我们采用的只是同位素热源(RHU),只能为探测器提供热,不能供电。而在嫦娥四号上,笔者欣喜地看到,我们终于拥有了基于钚238的同位素温差发电机,能够在供热的同时,在月夜为探测器提供不低于2.5W的电能。

尽管中国的航天级RTG依然处在发展阶段,但笔者看到的,是走向月球以远的中国深空探测的未来。

未来,我们要去火星,去木星。

未来,在建国100周年的时候,我们的深空探测器会在天王星向祖国发来最遥远的祝福。

未来,触手可及。