國家航天局副局長吳豔華: 嫦娥四號探測器成功著陸月球背面 探索古老月背奧秘

1月3日,中國嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面的預選著陸區,實現了人類探測器首次月球背面軟著陸,並傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。中國因此成為世界上第一個在月球正面與背面均成功完成探測器軟著陸的國家。聯合國外空司司長迪皮蓬表示:嫦娥四號任務標誌著空間探索歷史上一個令人難以置信的里程碑,這不僅是中國取得的巨大成功,也是國際航天界邁出的一大步。為此,本刊記者就探月工程嫦娥四號任務的有關情況採訪了中國國家航天局副局長、探月工程副總指揮吳豔華先生。

| 本刊記者 莊蕾

國家航天局副局長吳豔華: 嫦娥四號探測器成功著陸月球背面 探索古老月背奧秘

1月3日,嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面預選著陸區,並通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。圖為嫦娥四號著陸器拍摄的著陸點南側月球背面圖像(圖:國家航天局)

中國探月工程實現“五戰五捷”

記者:經過約38萬公里26天的飛行,嫦娥四號探測器於1月3日自主著陸在月球背面,並傳回了人類探測器在月球背面拍攝的第一張圖片。請您介紹一下此次探月工程的情況。為何此次探月工程選擇了探測月球背面?

吳豔華:探月工程嫦娥四號任務由兩次發射任務組成,一是2018年5月21日在西昌衛星發射中心由長征四號丙運載火箭成功發射“鵲橋”中繼衛星,並圍繞地月拉格朗日L2點穩定運行,實現了地球與月球背面的測控及中繼通信。二是2018年12月8日由長征三號乙運載火箭發射嫦娥四號探測器,探測器於今年1月3日成功落月,順利實現著陸器與巡視器分離、巡視器月面行走,傳回世界第一張近距離拍攝月背影像圖,實現了世界首次月球背面軟著陸和巡視探測。1月11日,嫦娥四號著陸器和玉兔二號巡視器在“鵲橋”中繼星支持下順利完成互拍,地面接收圖像清晰完好,中外科學載荷探測數據正常下傳,著陸器、巡視器、中繼星狀態良好,達到既定工程目標,工程任務轉入科學探測階段,嫦娥四號任務取得圓滿成功。至此,中國探月工程實現了“五戰五捷”。

另外,嫦娥四號任務的順利實施也凝聚著諸多參與國的貢獻。嫦娥四號配置了13台載荷,其中包括與德國、瑞典、荷蘭、沙特合作的4台科學載荷,還搭載了龍江號環月微衛星。中國在南美建設的阿根廷深空站參加了測控任務,與俄羅斯合作的同位素熱源將保障嫦娥四號探測器安全度過月夜,與歐空局在深空測控方面相互支持。中美雙方也開展了積極合作,利用正在月球軌道上運行的美國月球觀測衛星(LRO)對嫦娥四號探測器進行觀測,開展科學研究。

選擇去月球背面探測有兩方面的考慮。從科學角度來講,第一,月球的背面,尤其是這次選擇的著陸區是最古老的一個撞擊坑,它的地質構造以及礦物的組成,可能對於月球的歷史更具有代表性;第二,月球背面有個天然的屏障,能夠屏蔽地球的電磁波,是開展月基的低頻射電天文觀測的有利場所,這是由月球背面得天獨厚的地理位置和條件決定的。另外,從工程方面考慮,此前人類探測月球,更多集中在月球正面,而現在,我和我的同行們都希望能進行全月球的探測。所以這次開展了月球背面探測,未來可能還要開展月球極區的探測。這些考慮和設計,代表著我們在月球上可以獲得更多原來沒有獲得的數據,便於我們將來更好地了解月球。

在決策探測月球背面的過程中,也體現了中國科技人員勇於探索的精神。我們過去一直在趕超國際先進水平,趕的東西多,超的東西少。這次月球背面探測,中國人做得很好。

國家航天局副局長吳豔華: 嫦娥四號探測器成功著陸月球背面 探索古老月背奧秘

嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器分離後按計劃開展了相關工作。圖為著陸器監視相機拍攝的玉兔二號在A點影像圖(圖:國家航天局)

攻克技術難題

實現月球背面安全軟著陸

記者:中國是世界上第一個在月球正面與背面均成功完成探測器軟著陸的國家。請問著陸月球背面難在哪裡?是如何解決這些困難和挑戰的?

吳豔華:首先,月球背面軟著陸要面對通信問題,實現地月通信,中繼是個必要的條件。去年發射的“鵲橋”地月中繼星,擁有比地球軌道中繼衛星3萬多公里遠得多的作用距離,可以幫助我們成功構建地月的信息交互。

其次,月球背面的複雜地形對著陸和巡視也是巨大挑戰。對於著陸而言,由於月球背面十分崎嶇,要實現安全軟著陸,需要具備兩個條件。一個是軟著陸的高精度,只有提高著陸精度,才可能在一塊地形比較崎嶇的區域裡找到相對安全、合適的著陸點。為了確保動力下降初始點的位置精度,我們結合地面精確的測軌,研究制定了精細化的軌道設計和軌道調整策略。另一個是下降過程中的精確控制,我們通過提高自身導航及制導精度,實現了更加精確的控制,著陸器在著陸過程中進行自主避障,有效地避免可能遇到的障礙,在著陸區裡選擇最為安全的地點作為著陸點。從著陸過程的遙測信息,以及降落相機拍攝的圖像中可以看出,動力下降的過程中實現了有效避障。最終,嫦娥四號探測器達到這兩個條件,實現了預期的著陸精度,也實現了定點定時的準確著陸。

探測器著陸後,通過著陸區周圍地形地貌的成像可以看到,月背表面地形的起伏是很劇烈的,布滿了很多大小不同的撞擊坑。對於巡視器來講,在這樣複雜的地形上進行巡視,具有很大的難度。我們主要從兩方面來解決這個問題。第一,精細地規劃,通過對巡視器感知的圖像進行精確的地面恢復,制定更為合理的行走路線,力爭找到一些相對安全的區域。第二,充分發揮巡視器在行走中自主避障的能力,使其自主進行新的路徑規劃。另外,巡視器對躍障和爬坡也有比較強的適應能力。

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玉兔二號巡視器全景相機對嫦娥四號著陸器成像(圖:國家航天局)

實現多個創新 開展三類科學探測

記者:繼嫦娥三號圓滿完成任務後,嫦娥四號被賦予了新的任務。請問嫦娥四號實現了哪些突破?

吳豔華:此次任務實現了多個方面的創新:首次實現月球背面軟著陸與巡視探測,首次實現月球背面與地球的中繼測控通信,首次實現在月球背面著陸器和月球軌道微衛星的甚低頻科學探測。此外,運載火箭多窗口、窄寬度發射和入軌精度達到國際先進水平,進行了超地月距離的激光測距技術試驗,在月面開展了生物科普展示,開展了國際合作載荷搭載和聯合探測。

記者:目前嫦娥四號工程轉入科學探測階段,請問後續將開展哪些科學探測?

吳豔華:嫦娥四號工程轉入科學探測階段,主要有三大類的科學探索內容。

第一類探測主要是關於著陸區的地形地貌。過去我們都是通過遙感,從幾十公里甚至幾百公里的軌道上探測大概的地形地貌,而這次我們是身臨其境,大家可以從網上看到部分地形圖像。同時通過這次巡視勘查,將獲得月球背面第一張地質剖面圖,深達100米,體現月球地質構造、分層,有助於我們首次開展對月球背面地質的起源、形成,以及月球年齡的相關研究。

第二類探測主要是關於月球周圍的空間環境,包括宇宙輻射、太陽輻射、太陽耀斑的爆發對月球空間的影響。

第三類探測主要是關於月球的物質成分,這次有多台科學載荷將對月球背面的物質成分進行探測。因為過去從來沒有人做過,我想這些探索對於人類來說都是第一次,最後都會有原創性的成果,而這些成果將在國內外產生重大的影響。

記者據報道,香港理工大學也參與了嫦娥四號的科研工作,請您介紹一下香港理工大學的科研團隊在此次探月工程中貢獻了哪些研究成果?這些研究成果起到了什麼作用?

吳豔華:香港理工大學參與了著陸區地形地貌的分析,採用降落相機圖像、地形地貌相機圖像進行了著陸點定位,並分析周圍地形遮擋情況。同時也參與了地形地貌相機指向機構的研製,用於相機對著陸點附近拍照以及對巡視器拍照。這些研究成果為嫦娥四號探測器安全軟著陸和地形地貌的獲取提供了支持。

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嫦娥四號著陸器地形地貌相機對玉兔二號巡視器成像(圖:國家航天局)

與各國共享科學數據

記者:嫦娥四號的著陸器和巡視器安裝了哪些照相機,是如何成像的?

 

吳豔華:嫦娥四號探測器上共裝有十多台相機,著陸器上裝有降落相機、監視相機等,巡視器上裝有導航相機、全景相機和避障相機等,其中有彩色相機,也有黑白(全色)相機,分別服務於不同相機功能。對於全景成像和地形地貌成像,採用彩色相機,對於導航相機和避障相機,採用全色相機。舉個例子,監視相機的主要作用就是監視兩器釋放分離的過程,導航相機主要目的是獲取巡視器周圍的影像,然後通過雙目成像在地面進行三維恢復,為路徑規劃提供依據。

“兩器互拍”指的是著陸器和巡視器是相互拍照成像的,著陸器對著巡視器成像,巡視器對著陸器成像。而著陸器360度環拍,則類似於著陸器的自拍,主要是靠著陸器頂部的地形地貌相機以及相機指向機構,通過機構的不斷運轉和調整來幫助成像。

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1月11日8時,嫦娥四號著陸器、玉兔二號巡視器和“鵲橋”中繼星狀態穩定,各項工作按計劃實施。著陸器上配置的地形地貌相機完成了環拍,科研人員根據“鵲橋”中繼星傳回的數據,製作了清晰的環拍影像圖。圖為嫦娥四號著陸器地形地貌相機環拍全景圖(方位投影)(圖:國家航天局)

記者:此次嫦娥四號任務搭載了與德國、瑞典、荷蘭、沙特合作的多個國外研製的科學載荷,請問這些科學載荷獲取的數據是否向國際社會開放?

吳豔華:堅持對外開放合作是中國航天的一貫宗旨。中國國家航天局在嫦娥四號任務的論證過程當中,高度重視航天國際合作與交流,我們也希望給國際同行和科學家們提供開展月球探測的機會。2015年4月,中國國家航天局正式向國際社會征集搭載載荷,一共收集到10多個國家近20台搭載申請建議。經過遴選,我們最終確定德國、瑞典、荷蘭和沙特四國的載荷,分別搭載在嫦娥四號著陸器、巡視器、中繼衛星和龍江號微衛星上。針對這些載荷,中國將與相關研製單位一起組建國際科學家團隊,共同開展對這些載荷所獲取數據的科學研究工作。

另外,除了這4台國外載荷,我們在嫦娥四號上,還配置了9台中國自主研製的科學載荷。中國國家航天局願意同各國航天機構、科研院所,以及空間探測愛好者分享這些載荷所獲取的科學數據。針對這些載荷數據具體發布程序,中國國家航天局發布了《月球與深空探測工程科學數據管理辦法》。

中國國家航天局歡迎各國同行參與中國後續的探月工程和深空探測工程,包括聯合研製、載荷搭載、共同開展科學研究等多種方式,特別是即將啟動的在月球南極著陸任務,我們將向國際社會提供載荷搭載機會。另外,我們在軌運行的“鵲橋”中繼衛星,後續還有三到五年的壽命,歡迎國際社會利用我們的中繼衛星繼續開展科學研究工作。

中國國家航天局還願意與國際同行開展在對地觀測衛星、通信廣播衛星和空間科學衛星等方面的合作。

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1月11日8時,嫦娥四號著陸器、玉兔二號巡視器和“鵲橋”中繼星狀態穩定,各項工作按計劃實施。著陸器上配置的地形地貌相機完成了環拍,科研人員根據“鵲橋”中繼星傳回的數據,製作了清晰的環拍影像圖。圖為嫦娥四號著陸器地形地貌相機環拍全景圖(圓柱投影)(圖:國家航天局)

2020年前將實現

“繞、落、回”三步走目標

記者:未來中國的探月工程和深空探測還有哪些計劃與構想?

吳豔華:中國探月工程到2020年前將實現“繞、落、回”三步走目標。中國政府從啟動探月工程以來,按照“繞、落、回”三步走實施。最後的“回”是以今年年底左右,嫦娥五號到月球正面取樣回來作為標準,最終完成三步走。中國首次火星探測任務將於2020年前後實施。

中國國家航天局也正在組織國內專家對後續規劃進行論證,基本明確還有三次任務。嫦娥六號計劃在月球南極進行採樣返回,具體是月球背面還是正面,要根據嫦娥五號的採樣情況來決定。嫦娥七號計劃在月球南極對月球的地形地貌、物質成分、空間環境進行一次綜合探測。嫦娥八號除了繼續進行科學探測試驗以外,還要開展一些關鍵技術的月面試驗。中國、美國、俄羅斯和歐洲等國家都在論證在月球建立一個科研站的可能性,我們將通過嫦娥八號驗證部分技術,為以後各國共同構建月球科研設施做一些前期探索。

我們願在平等互利、和平利用、包容發展的基礎上,同國際社會一道,攜手推進世界航天事業發展,為推動構建人類命運共同體、促進人類文明和社會進步,貢獻更多的中國智慧、中國創造、中國力量!國家航天局副局長吳豔華: 嫦娥四號探測器成功著陸月球背面 探索古老月背奧秘

本文發表於《紫荊》雜誌2019年2月號


責編:莫潔瑩、趙珊

編輯:史帥、李倩妍、周琦



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