首页
知识海洋
趣味实验
科学探秘
科学漫谈
科普活动
科技前沿
中国校园健康行动 > 科技 > 科技前沿 > 正文

“嫦娥三号”即将登月

2013年下半年,我国将用长征-3B增强型火箭发射“嫦娥三号”(以下简称嫦娥-3)月球探测器,这是我国探月工程二期——“落”月探测的最关键一步。其工程目标是:突破月球软着陆、自动巡视勘察及其他相关技术,研制月球软着陆探测器和月球车,建立月球探测航天工程基本体系,为后续工程服务。其主要科学目标是:月面地形地貌探测;月壤的综合探测;月表物质成分和可利用资源调查;月球内部结构研究;日-地-月空间环境探测、月基光学天文观测。

据嫦娥-3顾问叶培建院士介绍,嫦娥-3是我国发射的第一个地外软着陆探测器和巡视器(俗称月球车),也是美国“阿波罗”计划结束后世界上重返月球的第一个软着陆探测器,它将首次自主开展月面就位科学探测。其主要任务是对月球土壤和月球环境的勘查、勘测,精细探测月球局部地区,包括化学成分、矿物组成、地质结构和月球表面环境等,也包括要突破一些新的航天技术。

探月方兴未艾

进入21世纪以来,由于越来越多的国家或组织深刻地认识到,探测月球对政治、经济和科技等许多方面都具有十分重要的意义,所以欧洲、日本、中国、印度和美国都先后成功发射了各自的月球探测卫星,并取得了大量科技成果,从而在全球掀起了探月热潮。

至今,人类总共发射了129个月球探测器,其中美国59个(不包括美国2013年将发射的“月球大气与尘埃环境探测器”),苏联64个,日本2个,中国2个,欧洲1个,印度1个,成功率大约为50%。21世纪发射的月球探测器全部成功,但21世纪的月球探测热潮与冷战时期的月球探测热潮有明显的不同,探测月球的目的由冷战时期主要满足政治和科学需要,改变为把科学探索和经济利益相结合,以探测月球资源为主,为未来月球资源开发、利用打基础;探测月球的规模更宏大,将陆续发射采用最新技术成果的多种先进月球探测器,研究月球矿产资源的分布与利用,进行月球特殊空间环境资源的开发;打破了20世纪只有美苏两个国家对月球探测的垄断局面,欧洲、日本、中国和印度等国家或组织都纷纷进行月球探测,并还将有越来越多的国家参与,且有可能逐渐转变成以国际合作方式为主。

人类的探月可分为探月、登月和驻月三大步,即“探、登、驻”。目前,美国已经完成了前两个阶段,未来将以第三阶段为主,即建造可供人长期居住、工作的月球基地。苏联/俄罗斯走完了第一阶段,今后可开展载人登月。欧洲、日本、中国和印度等都处在第一阶段,以“探”为主攻方向,并按照绕月探测、落月探测、取样返回,即“绕、落、回”三小步分步实施,逐步积累知识和经验。

由此可见,美苏是探月的第一集团,其中,美国最为先进。欧洲、日本、中国和印度是探月的第二集团,且都已完成绕月探测,所以纷纷开始瞄准下一个目标——落月探测,即研制包括月球车在内的月球着陆器。

嫦娥工程二期

我国的探月工程——嫦娥工程分三期实施:一期工程为绕月探测,即发射一颗月球探测卫星对月球进行全球性普查;二期工程为落月探测,即发射月球软着陆器,并携带月球巡视勘察器(俗称月球车),在着陆器落区附近进行就位精细探测,对月球进行区域性详查;三期工程为采样返回探测,即发射月球采样返回器,软着陆在月球表面特定区域,并进行分析采样,然后将月球样品带回地球,在地面实验室对样品进行详细研究、精准分析。嫦娥工程的每一步都是对前一步的深化,并为下一步奠定基础。

现在,嫦娥一期工程的目标已由2007年10月24日发射的嫦娥-1月球探测卫星全部实现。目前,正在实施二期工程,核心任务是实现探测设备登上月球,进行科学探测。其全称叫“月面软着陆探测与自动巡视勘察”,即把月球探测器发射至月球表面软着陆进行探测,精细探测着陆区的土壤、岩石、环境、热流和月表的环境,进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析,建设月基天文台,为月球基地的选址提供月面环境、地形、月岩的化学与物理性质等数据。

从获取探测数据的直接性和丰富性的角度来看,软着陆探测和巡视勘察是其他探测形式所不能替代的,在月球与深空探测技术发展中占据着十分重要的地位,但要突破一系列关键技术。由于嫦娥工程二期需要攻克的关键技术多,技术跨度和实施难度大,所以经研究决定,为了降低二期工程的风险,在发射我国首个月球着陆探测器嫦娥-3之前,先于2010年10月1日发射嫦娥-2月球探测卫星作为二期工程的技术先导星,即开路先锋。它用于试验验证嫦娥-3实现月面软着陆任务的部分关键技术,勘察预选着陆区,为嫦娥-3、4 (嫦娥-4为嫦娥-3的备份月球着陆探测器)实现月面软着陆积累经验,并在嫦娥-1任务的基础上深入开展月球科学探测,所以它具有承前启后、继往开来的重要作用。

2013年发射的嫦娥-3可获取月球内部的物质成分并进行分析,将由一期工程的“表面探测”引伸至内部探测。其中着陆器定点守候,月球车在月球表面巡游90天,范围可达到5平方公里,并抓取月壤在车内进行分析,得到的数据将直接传回地球。由于月面工作环境恶劣,昼夜温差高达300摄氏度,地形崎岖,地表松软,所以对月球车提出了较高的工作要求,它不仅要耳聪目明、步伐矫健、心灵手巧,还要能“忍饥挨饿”。

登月的机器人

嫦娥-3由着陆器和月球车组成。据中国探月网早期介绍,为了实现预定科学目标,其着陆器拟配置以下有效载荷:全色摄像/照相机、激光反射器、粒子激发X射线谱仪、红外光谱仪、低频射电探测仪、近紫外月基天文望远镜、极紫外相机、数据转发器、月震仪、研磨器、空间环境探测器、降落相机和机械臂等。月球车配置的有效载荷为:立体成像系统(即全景相机)、测月雷达、粒子激发X射线谱仪、红外光谱仪、低频射电探测仪、数据转发器、质谱仪、多光谱显微镜、研磨器和机械臂等。

我国专家最近透露,嫦娥-3着陆器设计寿命为一年,有四条支架腿,将携带测距测速雷达、激光测距仪、近紫外月基天文望远镜和极紫外相机等。其中近紫外月基天文望远镜将首次实现月基天文观测,因为月球没有大气层屏障,所以用很小的望远镜就能看得很远;极紫外相机既可拍摄月球的地形地貌,也能在飞行过程中拍摄地球,探测地球等离子体层的变化特点,提高中国空间环境监测和预报能力;着陆器上的雷达主要用来探测月球的地质信息。

嫦娥-3月球车有六个轮子,它相当于一台智能机器人,将携带360度全景相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪等,能精细地探测月球表面的化学元素。月球车底部装载的雷达,可探测月球车巡视路线上100米深度的月壤层结构。在脱离着陆器之后,月球车可开展为期1~3个月的月球巡视勘察。着陆器和月球车分开工作后可以互相监视,用各自携带的相机“互拍”,到时候着陆器就会拍下月球车上的中国国旗,再传回地面,这是嫦娥-3在月球着陆的一个证据。嫦娥-3进行的有些探测将是世界月球探测史上的创举,可使我国首次获得月球降落和巡视区的地形地貌和地质构造的相关数据。嫦娥-3月球车将应用“多维精细超光谱遥感成像探测技术”,这表明我国遥感成像探测技术获重要突破。

据有关媒体透露,嫦娥-3任务的特点是:①选择与以往不同区域着陆;②月面软着陆就位探测与月球车巡视勘察二者同时进行并有机结合,将获得比以前更有意义的探测成果;③在国际上首次利用测月雷达实测月壤厚度(1~30米)和月壳岩石结构(1~3公里);④首次在软着陆上利用数据转发器精确测定地月间距离,进行月球动力学研究;⑤首次开展日地空间和太阳系外天体的月基甚低频射电干涉观测,进行太阳射电爆发与空间粒子流、光千米波辐射、日冕物质抛射行星低频噪声和太阳系外天体的甚低频观测研究;⑥首次在月球上采用极紫外相机观测太阳活动和地磁扰动对地球空间等离子层极紫外辐射的影响,研究该等离子层在空间天气过程中的作用;⑦首次进行月基光学天文观测,研究太阳系外行星系统、星震和活动星系核。

难点变成亮点

与绕月探测相比,进行落月探测难度更大。不过,嫦娥-3所克服的难点变成亮点,因为沧海横流方显英雄本色。

据专家透露,嫦娥-3升空后将与嫦娥-2一样直接进入月地转移轨道,预计100多个小时后抵达月球轨道。它先绕月球转几圈“热热身”,做好各项准备,在地面下达“落月”指令后,由15公里的近月点开始降落,用很短时间就能着陆月球表面。

因为月球是真空环境,软着陆时不能使用降落伞,所以嫦娥-3只能是一边降落,一边用反推发动机把速度降下来。又由于月球表面凹凸不平,所以为了避开大石头和大坑,在着月过程中找寻着陆点,在嫦娥-3降落距月面约100米时,它会像直升机一样悬停一会儿,以智能选择一块比较平的地方,飞到着陆点高空再降下来,最后一直靠反推发动机慢慢下降。直到降到离月面4米高度时,要关闭发动机,以免扬起月尘,污染相机镜头或影响其他设备工作。之后,嫦娥-3自由下降,最后靠着陆器的四个支架腿缓冲落在月面上。为缓减冲击力,着陆器的每条支架腿都能吸收冲击力,其每只脚都做了一个大“鞋垫”,让它在月面上能滑一下。为此,有专家认为,嫦娥-3面临的最大难题是如何在月面上软着陆。

嫦娥-3的着陆地点基本确定在月球虹湾地区,因为那里具备地形平坦、能源充足、通信畅通和轨控有效等特点,目前看来该地点是最佳着陆选择。着陆器带有敏感探测功能,将自动避开月面障碍,通过悬停实现软着陆,落到哪里就对哪里进行科学探测。月球车位于着陆器顶端,当着陆器在月面实现软着陆时,月球车通过自带滑梯释放并自行工作,在月球表面进行行走,走到哪里探测到哪里。在月球车的桅杆上有两对相机和一根定向天线,下面的白色机械臂则用于对月表成分进行探测。它还会在月球表面采集一些样品,进行就位分析,然后将分析的结果、月面图像及地质地貌情况传回地球。

另外,月球的一天约相当于地球的27天,而且13天半是阳光普照的白天,13天半是寒冷的黑夜。白天太阳热流照射时间长,最高温达150摄氏度;月夜没有太阳光照,温度可下降至零下180摄氏度。低温对嫦娥-3是个严峻考验,因为很多设备的工作温度都有严格限制,关键是冷的时候没有太阳,这就意味着没有电。此外,月球表面尘埃带电,会给太阳电池、光学器件等带来不利影响。这些问题是人造地球卫星不曾遇到的。因此,叶培建院士表示,嫦娥-3任务要突破的技术很多,其中一个最大的难点就是解决月夜生存的问题,这需要突破很多技术,尤其是月面生存必用的热控制技术,将通过多途径保温。嫦娥-3将首次采用核电源——同位素温差电源与热利用技术、先进的热控技术、低重力环境下机构的重复展开与收拢、月尘环境下机构的润滑与密封等技术,确保探测器系统顺利度过月夜。例如,到了晚上,原本展开的太阳翼就会折叠起来,像被子一样盖在月球车上。

2018年前后,我国还将突破采样器、月地飞行技术和高精细月球样品分析技术等,发射嫦娥-5月球采样返回探测器,对月球进行精查。其核心任务是实现月球样品采集并自动返回地球,供科学家更深入地了解月球。

“嫦娥工程”使我国的月球科学、比较行星学、空间天文学等基础研究领域取得了较大进展,提升了我国航天技术水平并促进了众多相关技术发展,为我国进一步开展深空探测以及未来载人登月奠定了基础。

另外,据《2011年中国的航天》白皮书透露,我国正在开展载人登月前期方案论证,已有中国科技专家建议我国在2025年或2030年进行载人登月。

Box  月球车的种类

月球车一般分为两类:一类是无人驾驶月球车,它由轮式底盘和仪器舱组成,载有多种科学探测设备,用太阳能电池和蓄电池联合供电,其行驶是靠地面遥控指令,可在月面进行巡视探测。我国的嫦娥-3、4以及前苏联的月行者-1、2月球车属于这类,也可称为月球机器人。另一类是有人驾驶月球车,主要作为交通工具用于扩大航天员的活动范围,减少体力消耗,可随时存放航天员采集的岩石和土壤标本。美国“阿波罗”载人登月飞船曾使用这种类似电瓶车的月球车。

软着陆和月球车

在人类进行月球与深空探测活动中,软着陆探测是踏上另一个星球进行实地科学探测的第一步。实现我国首次地外天体的软着陆,能使我国掌握深空探测和空间科学领域的核心技术,获得月球及地月空间的科学数据,取得一批原创性的科学成果,催生一批边缘和交叉学科的出现与发展;建立较为完备的月球探测工程系统和相关基础设施,提升我国深空探测的系统集成能力,实现航天技术的跨越式发展;研制适应复杂月面环境的新型探测器,带动相关领域的自主创新,促进相关产业和技术的发展。

用嫦娥-3实现我国首次对地外天体的直接探测,要突破和掌握多项关键技术,例如,地月转移轨道发射技术、月球软着陆技术、月面巡视技术、探测器间相互通信与遥操作技术和月夜生存技术等,这样才能开展月球区域性的精细就位探测。在整个探测过程中,包括地月转移+环月+软着陆/巡视勘察几个阶段。

由于月球表面的热工况和太阳照射等条件与地球不同,所以为保证着陆器的正常工作,必须研究以下内容:月表软着陆探测器总体设计技术;着陆轨道设计与控制;着陆过程动力学分析设计;着陆过程地面试验技术。

月球软着陆方式常采用先环月再着陆的飞行程序;缓冲可分为气囊式和着陆机构式两类;通信保障的主要困难来自于巨大的距离扩散损耗、长时间的延迟及低覆盖率等问题,可采取提高星上测控通信设备的功率、提高天线增益和增加地面天线的尺寸等措施。

月表软着陆主要可分为探测器接近月面、软着陆发动机点火、着陆撞击直至稳定三个阶段。由于月球表面没有大气层,因此无法借助气动力来减速着陆,必须使用软着陆发动机和着陆缓冲装置。

着陆缓冲装置可有花瓣式、桁架式和薄壁壳体式等几种结构形式。从工程技术实现的角度来看,月球软着陆探测要攻克以下几项关键技术:着陆轨道设计与制导、导航控制;着陆缓冲;月面探测的测控通信;月面工作的热控与电源技术。

月球表面自动巡视探测技术主要是通过月球车在月球表面自动行驶,利用车载有效载荷对月面进行全景和近景摄影,对月表的化学成分进行分析,并把所获取的信息传送回地面。由于月球表面环境恶劣,地形复杂多变,因此月球表面自动巡视探测技术包含很多关键技术,主要有月球车的总体设计、自主导航和运动控制方法以及地面仿真实验技术等。

月球车具有移动性、适应性、自主性和功能性四个特点,一般包括移动子系统、结构与机构子系统、导航与控制子系统、综合电子子系统、电源子系统、热控子系统、测控与数传子系统、机械臂子系统和科学仪器子系统等9个子系统。其关键技术是:月球车总体方案设计与优化;移动技术;定位、路径规划与控制技术;同位素温差电源及其相关技术;新型热控技术;测控通信技术;仿真与地面验证技术。


分享到:
  2015-09-11  4240 0
中国校园健康行动城市联盟

上海市

重庆市

浙江省

山东省

黑龙江省

江西省

甘肃省

福建省

海南省

宁夏回族自治区

新疆维吾尔自治区

Copyright © 2011 chinaschool.org.cn, All Rights Reserved 京ICP备 07010518号

执行单位:中玉之天(北京)投资咨询有限公司 技术支持:北京捷图信息技术发展有限公司