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                嫦娥四号着陆月球,十大看点告诉你到底有多牛!

                丽江新闻门户

                2019-01-04 22:17:28

                2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯 卡门撞击坑内,实现人类探测器首次在月球背面软着陆。

                发射成功现场(图源:我们的太空微博)

                它对中国探月、乃至整个人类探月,到底有多大意义?本文十大看点为你全方位解读。

                看点一:为什么选择探测月球背后?

                动图:NASA的深空天气探测卫星在150万千米外日地拉格朗日点“定点”观察而来的月球掠过地球,可以明显看到月球只有一面对着地球(图源:NASA)

                欧阳自远院士在中科院SELF讲坛的演讲中表示:

                我们的着陆器和月球车将要降落在月面背面的巨大的艾肯盆地上,这里面有很多新的科学信息。

                △中国未来将进行火星、木星及其他天体的探测(来源:中科院SELF讲坛)

                在月球背面是一种长波无线电最干净的环境,因为我们在地球和月球正面上有一段无线电是绝对收不到的,包括太阳的某一部分爆发,包括宇宙的各种信息等。这是为什么呢?

                我们地球有一个电离层,全部干扰来自地球之外的长波无线电信息都测不到,月球正面也被地球的电离层干扰,也测不到。最好的选择就在月球背面,它非常干净,所有的杂音都被月球正面挡住了,所以它是一个最好的环境,是科学家梦寐以求的地方,它可以清晰地收到来自宇宙早期的很多信息。

                我们既可以去,也可以落,还可以安全回来,我们中国的航天员一定能够到达月球,我们甚至要建立月球基地,这是我们明年要完成的任务。

                人类月球探测、甚至人类航天的巅峰就是大名鼎鼎的阿波罗登月工程,但是,所有的阿波罗载人任务、甚至苏联和美国的其他无人着陆月球任务都集中在月球正面,对这里人类已经了解得非常多。

                到中国嫦娥三号时,人类已经在月球正面有过20个着陆器,然而背面为0(图源:Wikipedia)

                但是,之所以一直探测正面、在正面着陆,却从不去背面,一个重要原因就是背面着陆的难度大大难于正面。

                而嫦娥四号对这个“难题”做出了回答:“我选择着陆月球背后,不是因为它简单,而是因为它更难”。

                看点二:

                月球背面是不是外星人造的?

                据说月球背面有外星人,有很多人说咱们中国人干嘛要到月球背面去惹祸呢?别人都不敢去。这些到底是真是假呢?欧阳自远院士在演讲中给出了答案:

                △月球是不是外星人造的?(来源:中科院SELF讲坛)

                  美军轰炸机被外星人劫持到月球背面?假的

                  美国最有名的一个杂志叫《世界新闻周刊》,1988年4月5日登载了一张照片。在二战时期,美国轰炸机群经过百慕大上空时,有一架轰炸机不知去向。后来传说它被外星人劫持,被放在月球背面的一个坑里头。

                  △《世界新闻周刊》刊登的照片

                  这是月球背面一个很有名的坑,它有93公里的直径,照片上的飞机起码有50公里长,飞机翅膀展开的宽度起码有50到60公里宽,人能造那么大的飞机吗?这是不可能的。

                    外星人在月球背面有秘密工厂?假的

                    网友们给我们发了许多照片,比如右边的图,网友说是外星人在月球上巡查,背后就是外星人的秘密武器制造工厂。其实这个人是“阿波罗16号”的宇航员杜克,鞋印都是完全一样的,右边的照片完全是伪造的。

                      月球上有金字塔?假的

                      有人说月球上有金字塔,其实是把埃及金字塔的照片贴上去的。

                        月球上有巨石阵?假的

                        有人说月球上有巨石阵,其实是把英国的巨石阵照片合成到了月球照片上。

                          外星人照片?假的

                          还有人说,这是外星人的照片。我量了一下,这个外星人的高度起码有50米,哪有那么高的人?这全是假的。

                          我觉得月球背面没有任何外星人活动的迹象。月球是一个严酷的世界,白天100多度,晚上零下180度,温差可以达到300度,没有任何丝毫的空气,月球的环境太严酷了,人是不能居住的。

                          看点三:月球背后探测会给科研界带来什么?

                          直接划重点:

                          a. 月球背面几乎全是环形山/陨石坑(97.5%),比正面多得多(69%),形成原因和目前的情况只有理论解释,缺乏实地验证;

                          b. 月球背面南极-艾特肯盆地,是太阳系第二大超级陨石坑,早在1998年,NASA的月球勘探者号就发现这里存在水冰,而且更接近月球最原始的情况;

                          c. 嫦娥四号实际着陆地点位于该区域中部的冯·卡门环形山,它以钱学森的恩师的名字命名。这里经过了强烈碰撞,极可能曾经被熔岩淹没,各类物质含量丰富,或许留有月幔最原始的成分,保留了月球最深层的秘密;

                          d. “月球上氦三能量开发可供人类能源需求XX万/亿年”的说法,相信大家已经看过很多了,而理论上月球背面环境更容易产生氦三;

                          e. 月球背面有天然的“屏蔽”,没有任何来自地球的辐射干扰,这意味着它有着无比完美的安静环境做天文观测;

                          f. 月球背面的月壤也极有可能与正面大不相同。

                          月球正面(左)和月球背面(右)看起来截然不同(图源:NASA)

                          以上,基本意味着第一个实现月球背面着陆的探测器将会收获众多独特的科研成果,对世界航天和天文界都将是巨大的贡献。

                          看点四:月球挡住了,信号咋办?

                          既然月球挡住了背面,就要布置一颗信号中继卫星,为着陆器做准备和全程信号支持。从上个世纪六十年代开始,NASA就一直在提设想、论证,但从未实践过。目前,中国已经完成了这一任务:早在去年5月份,就成功部署了“鹊桥号”中继卫星,在月球背后6.5万公里之外的地月拉格朗日二点附近Halo轨道簇上运行。

                          鹊桥号中继星与地球、月球的轨道关系(图源:吴伟仁等)

                          这是人类历史上首个月球信号中继卫星,架起了地球和月球背后的“鹊桥”,它将全程见证嫦娥四号的探测过程,也将负责嫦娥四号的全程通信。

                          看点五:着陆区域到底有多复杂?

                          月球背面陨石坑密布、尤其南极-艾特肯盆地的地形和高程图异常复杂,对各种配合着陆传感器的系统要求很高。尤其是高度方面的变化速度超过了以往任何一次着陆,最大落差高达16.1千米。冯·卡门环形山属于其中一块核心区域,对嫦娥四号而言,相当于翻越崇山峻岭来找它。

                          如果把此前探测器在月球正面的着陆情形描述为小船轻轻划过湖面,嫦娥四号在月球背面的着陆就好比在风暴洋中冲浪,难度不可同日而语。

                          南极-艾特肯盆地的地形图复杂程度远超其他地方,图中标注处即冯·卡门环形山(图修改自:Garrick-Bethell and Zuber)

                          为了成功着陆并释放月球车探测,所克服的难度和意义可想而知。

                          看点六:为什么四天就到月球,还迟迟不着陆?

                          嫦娥四号早在12月8日就出发,使用了我国目前深空探测的最强火箭长三乙改III型。3.8吨重的它仅花了4天14时16分就完成了发射、轨道校正、近月制动、进入工作轨道,是四次主要任务中最短的一个。但依然等到了2019年1月3日才进行着陆任务。

                          为什么需要这么长的时间呢?

                          是为了等待时机。

                          月球被潮汐锁定,自转与公转相同,导致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。换做地球时间就是近14天交替的白天黑夜。在进入月球轨道后,嫦娥四号一边测试仪器,一边等待月球进入白天,毕竟它的主要能量来源是太阳能。

                          光线照射形成的影子,也是着陆时判断地形的重要图像参考(图源:NASA)

                          另一方面,由于降落地点处于南极附近,它需要逐渐调整轨道倾角才能经过这里,比较耗时。同时,也要等待太阳光照在月球的角度达到理想的状态,这样所有的地貌都会有比较清晰的阴影,最大程度辅助光学设备选择并定位着陆地点。

                          看点七:嫦娥四号着陆怎么“走位”?

                          由于降落的难度大大增加,嫦娥四号的着陆方式也将作出改动。由于着陆地的独特地貌特点,它的避障需求远高于其他着陆任务。

                          嫦娥三号和四号动力下降过程对比(图源:李飞等)

                          可以看出,在进入准备阶段后,嫦娥四号的轨迹不降反升,而后进入一个几乎要实现长距离垂直下降过程,期间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程,难度极大。这么一个复杂的“走位”,对自主导航制导与控制要求极高。

                          看点八:嫦娥四号的能量怎么来?

                          采用太阳能电池板和充电电池组合,是很多月球探测器的基本配备。在(月球)白天,月球上太阳能极其充沛,太阳能电池板充电,剩余电能储蓄下来,所有系统正常工作。晚上能量不足,只能冬眠或降低工作强度。我国的嫦娥三号和玉兔号任务,以及苏联、美国诸多无人探测器,大都采用这个方案。

                          2013年12月2日发射的嫦娥三号和玉兔号月球车,它们能量主要依靠太阳能电池板(图源:中国航天科技集团)

                          而在嫦娥四号上,中国将首次实验自己的“核电池”技术。尽管它不是最主要的能量来源,但这个突破已经意义重大。

                          看点九:逆袭的备份!

                          嫦娥四号原本是嫦娥三号的备份版本,但毫无疑问,目前它的科学和工程目标都大大超出了前者。在嫦娥四号动力下降过程中,它需要鹊桥号配合完成全部动作,这就要求对星上传感器和核心降落辅助设备进行全新升级。

                          月面微型生态圈,带有马铃薯、蚕、拟南芥和生命支撑系统(图源:重庆大学)

                          基于过往经验,嫦娥四号对月球车进行了一定改进,以期延长使用寿命,扩大科研成果。太阳能帆板系统也升级为高效三结砷化镓材料,能量来源更强劲。对嫦娥三号已有的测月雷达等设备进行升级。

                          此外,在科学仪器上,为充分利用月球背后的“干净”天文观测条件,它新增了探测中子及辐射剂量、低频射电和中性原子等一系列设备。除了科研,它还携带了一个以科普为主要目标的月面微型生态圈,里面有几种生物,也是人类首次进行月面生物实验。

                          看点十:国际合作大突破

                          嫦娥探月工程作为中国最具标志性大型科学研究项目之一,在扩展中国航天国际影响力、甚至直接促进国际合作方面的意义对我国而言是无可取代的,而嫦娥四号任务更是为中国航天迈出了突破性的一步。

                          嫦娥四号任务的火箭整流罩上有众多国际机构,可以看出这是个高度国际化的任务(图源:中国航天科技集团)

                          在科学方面,低射频电探测仪是与荷兰合作,月表中子与辐射剂量探测仪是与德国合作,中性原子探测仪是和瑞典合作,月球小型光学成像探测仪是与沙特合作。

                          在任务成功后,嫦娥四号收集来的一手科研数据将会对外全部公开,欢迎全世界科学家共同研究。一言以蔽之:嫦娥工程是近些年中国航天在国际上最大的一张名片,造成广泛影响的同时,也在行业内外得到了很多关注,是我国航天对外开放吸引合作的最佳平台。

                          因而,眼前的嫦娥四号,不仅是中国的,更是全世界的。它的科学和工程意义,对整个人类而言都是重大突破。

                          所以,

                          在正式宣布了

                          “嫦娥四号”成功着陆的消息后,

                          推特上外国网友的画风都是这样的:

                          ▲嫦娥4号成功登陆月球背面了!

                          ▲我也看到了!!!

                          ▲央视13台报了!官宣了!嫦娥4号登陆了!

                          就连美国宇航局NASA的Jim Bridenstine局长,也在第一时间向中国表示了祝贺,称嫦娥4号成功登陆月球背面是人类历史上的首次,更是一项“令人印象深刻的成就”!

                          另外,有外国的科技媒体人目前还在认真学习到底该怎么正确地读出“嫦娥”俩字:

                          不过更有趣的,还是这些老外在等待嫦娥4号成功登陆消息时的各种“碎碎念”。毕竟,虽然中国的微博等境内社交平台早在10:26分嫦娥4号成功登陆后就已经传出了多个小道消息,但官方渠道当时还没有消息。

                          于是,这些老外也和咱们一样,一方面看到这些小道消息非常兴奋,一方面又因为迟迟没确认只能继续憋着……

                          当然,正所谓瑕不掩瑜。这些小插曲并没有打消这些外国网友对嫦娥4号及其成就的巨大热情。在官方终于宣布了成功登陆的消息后,这些老外们都在发布对于嫦娥4号的赞美之词,称这确实是“前无古人”的成就。

                          央视国际版CGTN随后播出了关于嫦娥的大专题节目,也算是让这些关心中国航天进步的热心老外们得到了满足。

                          主要参考文献:

                          1. 文中的“吴伟仁等”指来自此期刊文章:吴伟仁,王琼,唐玉华,等. “嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报,2017, 4(2):111-117.

                          2. 文中的“李飞等”指来自此期刊文章:李飞, 张熇, 吴学英, 等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]。深空探测学报, 2017, 4(2): 143-149.

                          3. NASA最早提出的完整月球信号中继方案可见文章:Farquhar, W. (1972). A halo-orbit lunar station。

                          4. 南极-艾特肯盆地高程原图来自:Potter, R. W. K., G. S. Collins, W. S. Kiefer, P. J. McGovern, and D. A. Kring (2012), Constraining the size of the South Pole-Aitken basin impact, Icarus, 220, 730–743, doi:10.1016/j.icarus.2012.05.032.