月球背面,我们来了!来看看嫦娥四号中的“上海智慧”

创新之城 2018-12-08 21:18
来源:上观新闻 作者:黄海华
最终将实现人类首次月球背面软着陆。

月球背面,我们来了!今天凌晨,嫦娥四号探测器开启了月球探测的新旅程,后续它将经历地月转移、近月制动、环月飞行,最终将实现人类首次月球背面软着陆。来自中科院上海技物所、中科院上海天文台、中科院上海硅酸盐所、中科院上海光机所、中科院上海有机化学所的科研人员为这次月球探测贡献出了“上海智慧”。

 

做“开路先锋”,寻找精确的着陆点

 

嫦娥四号主要由着落器和巡视器(月球车)两部分组成,只有在月球背面安全着落了,才有可能开展探测任务。嫦娥四号究竟该在哪里着落?上海技物所研制的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器,成为了“开路先锋”。

 

“嫦娥三号着陆区较为平坦,着陆器在距月面3公里左右做90度的姿态调整,姿态调整后还可以一边平飞,一边降落,而嫦娥四号着陆区地势崎岖,着陆器在8公里左右就需要调整姿态,随后几乎是垂直下降,难度更大。”嫦娥四号激光测距敏感器主任设计师程鹏飞告诉记者,嫦娥四号相对嫦娥三号的最大变化是着陆地区变为月球背面,地形起伏较大,陨石坑多,只有预定着陆的艾特肯地区较为平坦。激光测距敏感器通过向月面发射激光脉冲,测量月面回波脉冲信号与激光发射脉冲信号的时间间隔,从而获得嫦娥四号着陆器相对于月面的精确距离。在距月面15公里高度时,激光测距敏感器由远距离测距光束开始提供距离月面的斜距信息,在距月面高度约8公里时,着陆器姿态发生角度调整,激光测距敏感器根据指令切换至近距离测距,在姿态调整过程中远距离、近距离测距波束具备同时测距功能。嫦娥四号激光测距敏感器基本继承了嫦娥三号的设计,其激光光源、探测器、高压电源等核心元部件均为国产自研,并进一步提高了系统的集成化、轻量化程度,整机重量小于8.4千克,总功耗小于28瓦。激光测距敏感器采用了回波信号自动增益控制、多个测距通道复合交接班、百亿分之一秒高分辨率时间间隔测量等关键技术,尽管探测距离范围为15米至30公里,最远和最近的回波功率会发生千万量级变化,但测距精度可以控制在0.2米以内。

激光测距敏感器

 

在距离月面80到120米时,着陆器会悬停,使用激光三维成像敏感器来获取月面区域的激光三维图像,再通过计算分析选择着陆区。“由于燃料的问题,我们一共只有三次机会寻找着落区,每一次都只有1秒时间,其中0.25秒用来获取图像,剩下的0.75秒完成判断。”嫦娥四号激光三维成像敏感器主管设计师李铭说,本来,微波测距和激光测距互为备份,但距离月面100米时只有激光测距。在嫦娥三号任务阶段,激光三维成像敏感器在0.25秒内可实现30°×30°视场图像获取,三维图像高程精度优于5㎝(1σ),在轨飞行出色完成了既定任务,有力保证了着陆探测器在安全区域着陆。嫦娥四号激光三维成像敏感器原作为嫦娥三号的备份产品,于2013年9月完成生产研制。产品贮存期间,该课题组有力保障了产品贮存环境,并定期对产品健康状态进行了详查和实验论证。

激光三维成像敏感器

 

激光测距敏感器和激光三维成像敏感器如此“威武”,离不开上海光机所研制的激光器。一支普通的激光笔,功率只有毫瓦,而嫦娥四号上的测距激光器是兆瓦量级。测距激光器在距离月面约30公里时,提供着陆器和月面的距离信息,三维成像敏感器激光器可以达到1秒钟5万次的高重复频率,在距离月面100米悬停时,瞬时对月面实施高精度三维成像,为着陆器避开障碍、选择精确的着陆点提供可靠依据。

测距敏感器激光器

 

三维成像敏感器光纤激光器

 

能调控温度的“外套”或“裙子”

 

我们经常看到卫星的外壳涂着不同的颜色,这就像是给卫星穿上了能调控温度的“衣服”,嫦娥四号也穿着这样的神奇“外套”或“裙子”。

 

航天器进入轨道后,处于地球大气层以外的超高真空空间环境,朝向太阳的表面温度非常热,而背向太阳的表面则非常冷。这就需要在航天器表面使用不同的太阳吸收率和热辐射率的涂层来调节其热平衡温度,这就是卫星的热控制。热控制需要热控材料来完成,由上海有机化学所研制和生产的有机热控涂层,由于施工工艺简单,可用于金属或非金属底材,具有良好的附着性能,有的品种可室温固化,因此在航天器热控制领域得到了广泛的应用。

有机热控涂层就像能调控温度的衣服穿在航天器和仪器的外表面

 

上海有机化学研究所是我国系统研制有机热控涂层的唯一单位。有机热控涂层研制组是上世纪六十年代为满足我国第一颗人造卫星“东方红一号”研制而成立的。上海有机所邹永军高级工程师介绍,几代科研人员研制出了几十种不同用途的有机热控涂层,已应用于我国已发射和在研的各类卫星和航天器型号上。相关工艺也更新迭代实现了数字化调控,如今每天实验室的涂料产量为两三千平方米。

 

与有机热控涂层不同,上海硅酸盐所提供的是无机热控涂层,为嫦娥四号从里到外量身定做了各式“衣服”。嫦娥四号受月球表面的昼夜温度变化影响,月夜温度最低时可达零下200℃,月昼最高可超过150℃。而探头等单机运行温度一般为零下40℃到50℃左右,一旦超出正常的温度范围可能会造成单机的功能失效,甚至造成单机的损坏。上海硅酸盐所研制了低温多层隔热组件,可以双向隔热,外部高温时热量不会往里传,外部寒冷时里面热量也不会往外漏。目前,全世界只有两家机构可以提供这种柔性薄膜热控涂层。

嫦娥四号着落器7500N发动机高温多层隔热材料

 

变推力发动机是嫦娥四号实现软着陆的关键部件。在距离月球15公里时,变推力发动机点火的瞬时温度高达1400度。上海硅酸盐所研制的高温隔热屏就像“裙子”一样将高温环境包围了起来,在发动机与周围的电子元器件形成了一道屏障,有效地减小了发动机工作对探测器本体的高温侵蚀。

 

由于月球距离地球38万公里,嫦娥四号需经过多次变轨才能实现着陆,姿控发动机寿命要求大大延长,对其高温抗氧化涂层提出了更加苛刻的要求,必须承受更高的温度,更高的压力,更大的冲刷速度和更苛刻的富氧环境,否则在点火瞬间会由于高温氧化气流冲击而被粉化。上海硅酸盐所研制的高温合金抗氧化涂层,已成功应用于嫦娥一号至嫦娥四号。

 

除了这些各种材质的“衣服”,对于月球车的轮子、全景相机和机械臂等非固定器件,就只能涂抹“防晒霜”了。上海硅酸盐所研制了低吸辐比微弧氧化热控涂层,将为巡视器在月面巡视勘察、机械臂的正常运转发挥重要的作用。

 

红外成像光谱仪,有点像二郎神的眼睛

 

由于月球自转周期与绕地球公转的周期相同,它只能永远以同一面朝向地球。这就意味着,在月球背面登陆的嫦娥四号与地球上的测控中心不仅相隔遥远的地月距离,而且还要隔着月球球体通信联系。由于信号无法穿透月球抵达其背面,这就需要中继卫星的帮助来实现数据传输,完成地面测控任务。这颗中继星被命名为“鹊桥”,其伞状抛物面天线展开直径达4.2米,是人类深空探测史上口径最大的中继通信天线。“鹊桥”直接指向月球,与嫦娥四号探测器对接,不仅要将地面的测控指令说给探测器听,还要听清楚探测器要对地球说些啥。

左图给出了在轨标定工作期间天马望远镜和中继星的工作模式,右图给出了实时状态下接收到的信号功率和卫星姿态信息

 

从今年5月21日“鹊桥”发射之日起,我国的VLBI网就每日观测这颗中继星,提供高精度观测数据,为确保中继星顺利飞抵目标轨道发挥了重要作用。目前我国的VLBI网由上海天马65米、北京密云50米、云南昆明40米和乌鲁木齐南山26米4架射电望远镜组成,分辨率相当于口径为3000多千米的巨大望远镜,数据处理中心就设在上海天文台。“执行嫦娥一号任务时,VLBI测轨分系统处理测轨数据需要10分钟,到了嫦娥三号缩短到了1分钟,这次嫦娥四号不仅每5秒钟打包数据一次,还能在30秒之内完成数据处理。” 嫦娥四号VLBI测轨分系统总指挥洪晓瑜说,中继星“鹊桥”在轨飞行期间,上海天马望远镜承担了中继星天线在轨指向标定工作。VLBI测轨分系统不仅要护送嫦娥四号奔月、环月飞行、在月球背面着落,还将继续观测“鹊桥”,同时测量它们的准确位置,确保它们能取得很好的联系。

我国VLBI网示意图(陈中提供)

 

嫦娥四号着陆后,巡视器与着陆器分离后将到达指定科学考察点,上海技物所研制的红外成像光谱仪将在未来几天择机工作。“红外成像光谱仪类似于一只眼睛,但它并不仅仅是看月表的几何形状,更能通过精细光谱来分析月表的物质成份,这有点像二郎神的眼睛。”上海技物所副所长舒嵘说。红外成像光谱仪是巡视器(月球车)上配备的科学探索有效载荷,它具备可见近红外谱段(0.45 ~ 0.95μm)的光谱成像及短波红外谱段(0.9 ~2.4μm)的光谱探测功能。其光谱分辨率2 ~12nm,具备在轨定标及防尘功能,能适应-20~+55ºC工作以及-50~+70ºC存储的温度环境,重量小于6公斤。在月球车的辅助下,它可以获取月表指定位置的精细光谱信息,每次会拍摄下几百张照片,为月面巡视区矿物组成分析提供科学探测数据。嫦娥四号红外成像光谱仪主任设计师李春来介绍,嫦娥四号红外成像光谱仪继承了嫦娥三号的设计和工作模式,但仪器单次获取月表光谱信息的时间由之前的25分钟缩短了一半。

红外成像光谱仪

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:视觉中国 图片编辑:周寅杰

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