嫦娥四号探测器月背软着陆揭秘

　　经济日报-中国经济网北京1月3日讯（记者 姜天骄）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。通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图，揭开了古老月背的神秘面纱。

　　此图片为嫦娥四号着陆器拍摄的着陆点南侧月球背面图像，巡视器将朝此方向驶向月球表面。

　　10时15分，科技人员在北京航天飞行控制中心发出指令，嫦娥四号探测器从距离月面15公里处开始实施动力下降，7500N变推力发动机开机，逐步将探测器的速度从相对月球1.7公里每秒降到零。在6-8公里处，探测器进行快速姿态调整，不断接近月球；在距月面100米处开始悬停，对障碍物和坡度进行识别，并自主避障；选定相对平坦的区域后，开始缓速垂直下降。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。落月过程中，降落相机拍摄了多张着陆区域影像图。

　　此图片为嫦娥四号探测器月球背面软着陆后降落相机拍摄的图像。

　　落月后，在地面控制下，通过“鹊桥”中继星的中继通信链路，嫦娥四号探测器进行了太阳翼和定向天线展开等多项工作，建立了定向天线高码速率链路。11时40分着陆器获取了世界第一张近距离拍摄的月背影像图并传回地面。图中展示了巡视器即将驶离着陆器、驶向月背的方向。

　　嫦娥四号探测器由着陆器和巡视器组成，共配置包括2台国际合作载荷在内的8台有效载荷，其中着陆器上安装了地形地貌相机、降落相机、低频射电频谱仪、与德国合作的月表中子及辐射剂量探测仪等4台载荷；巡视器上安装了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和与瑞典合作的中性原子探测仪。这些仪器将在月球背面通过就位和巡视探测，开展低频射电天文观测与研究，巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构研究，并试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境研究。此外，着陆器还搭载了月表生物科普试验载荷。嫦娥四号任务为中外科学家提供了太空探索的机会。

　　科学家认为，月球背面比正面更为古老，冯·卡门撞击坑的物质成分和地质年代具有代表性，对研究月球和太阳系的早期历史具有重要价值。月球背面也是一片难得的宁静之地，屏蔽了来自地球的无线电信号干扰，在此开展低频射电天文观测可以填补射电天文领域在低频观测段的空白，为研究太阳、行星及太阳系外天体提供可能，也将为研究恒星起源和星云演化提供重要资料。中国国家航天局愿以此为基础，与世界各国航天机构、空间科学研究机构及国外空间科学爱好者，开展合作，共同探寻宇宙奥秘。

　　后续，嫦娥四号探测器将通过“鹊桥”中继星的中继通信链路，在地面控制下，开展设备工作模式调整等工作，择机实施着陆器与巡视器分离。

　　着陆艾特肯盆地，应对多重困难挑战

　　嫦娥四号首选着陆区为月球背面南极-艾特肯盆地。“与嫦娥三号的虹湾着陆区相比,虹湾的整体趋势较为平坦，但艾特肯盆地的地形就比较崎岖，撞击坑大而且分布密集，这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了更高的要 求。”据中国航天科技集团八院嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花介绍，“由于着陆区在月球背面,使得着陆器和巡视器无法同地球直接通信，必须用中继星中继的方式;同时在动力下降过程中,着陆器也不能对地直接通信,只能通过中继星进行上下行操作,这些都是此次任务的难点。”

　　巡视器还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘的污染等问题。“比如，月球的重力只有地球的1/6，我们要针对这种低重力环境，对巡视器的移动速度、距离、越障能力等状态和参数进行充分的地面力学分析和验证,并结合月面散落的陨石和撞击坑的状态,使其具有一定的障碍识别和自主避障能力，保证它的通过性、机动性以及地形适应性。”据悉，在整个任务过程中,设计团队为巡视器定义了感知、移动、探测、充电、安 全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼七种工作模式,以应对不同工作环境、适 应不同工作状态的要求。

　　休眠唤醒，做最可靠能量供给站

　　一个月夜相当于地球上14天。同时，月夜最低温度可达到零下180度。在没有光照的漫长黑夜里，对于依靠太阳能提供能量的嫦娥四号着陆器和巡视器来说，如何依靠自身存储的能量安全度过月夜将是一个很大的挑战。 面对这一难题,研制人员提出了休眠唤醒的概念。当太阳缓慢地升起时, 着陆器和巡视器将开始忙碌的十四天工作——着陆器在原地实施科学探测,巡 视器则“东奔西走”开始探测。当月夜降临时,巡视器会为自己找好栖身之 所,收起桅杆,合上太阳翼,开始休眠。一直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上,唤醒“沉睡”的巡视器和着陆器,开启又一次勘测。 “嫦娥四号采用了目前国内最先进的高效三结砷化镓太阳电池,光电转换 效率从原先的28.6%提升到30.84%。”探月工程太阳电池电路负责人陈城介绍 道。新的电池在光电转换效率、输出电压、输出电流、抗辐照能力、旁路二极管压降及重量等技术指标上均优于原电池,其可靠性也已经过多个型号的在轨 及地面考核验证。“而且，新电池降低了太阳电池片的厚度,为太阳电池’减重’了10%，功率裕度则由原先的6%增大到了9%。”

　　多重准备，适应月背严苛环境

　　月球背面长期受到陨石的冲击,存在较正面月表环境更严苛,巡视器行进 过程中可能面对更多挑战。为此团队在嫦娥三号的基础上对巡视器移动能力进 行了进一步加强,特别是在应对意外状况方面,开展了多项系统试验,并把每 一个试验变化分解成多个环节,逐一开展详细验证。对如石块落入车轮内部、 驱动机构频繁启停、以及巡视器极限移动能力等状况均进行了逐一测试,并形 成了应对方案。

　　要知道月面巡视器要从地球飞越约38万公里到达月球,负担自然是越轻 越好,因此探测器的每个部分都有严格的重量要求。在这样的前提下,团队 通过严苛的筛选和试验,最终在仅增加50克重量的有限措施下,完成了电缆 防拉脱力从22N提升到48N,整整将相应指标提高了一倍多,同时加强了电缆 的耐磨性和驱动控制模块设计冗余,有力的支撑了嫦娥四号巡视器征战月球背面之行。

　　聪明的GNC系统

　　为了防止在最紧张的、不可逆的月球背面着陆过程中“鹊桥”出现问题影响数据的上传,GNC系统设计了延时数据注入功能，就是提前把要注入着 陆器计算机的数据发送到着陆器上的某个地方暂存，这个数据包是带有时间标签的，待到着陆器上的时间和该标签相同时，数据便自动注入，如此，原本赖以生存的通过“鹊桥”的实时数据注入就沦为了备份手段。

　　系统还可以“全程自主故障诊断与重构”，万一真的发生了故障，系统可以随时自己给自己进行“诊断”，找到病灶并剔除病灶，通过身体各部分功能的优化再组合，确保机体整体功能的正常,确保落月过程的万无一失。

　　着陆器GNC圆满完成了自己的使命，但嫦娥四号任务还在继续，后续还有着陆器、巡视器(月球车)的两器分离，月球车的月面就位探测、巡视探测, 月昼月夜的交替等等挑战，具体考验的就是嫦娥四号巡视器GNC系统的智慧了，相信它会和着陆器GNC一样的聪明。