揭秘嫦娥四號月背之旅：攻克三大挑戰終抵"蟾宮后院"

　　1月3日，嫦娥四號在舉世矚目之下成功踏上月球背面，實現了人類探測器首次月背軟著陸。此前，嫦娥四號已經飛越38萬公里，一路走來，歷盡艱辛。

 

　　嫦娥四號探測器包括兩器一星，即月球軟著陸探測器、月面巡視探測器、“鵲橋”中繼衛星，飛行過程則包括發射、地月轉移、環月、動力下降等階段。這其中每一步面臨的挑戰都不可小覷。

 

　　中國航天科技集團八院嫦娥四號探測器系統副總指揮兼副總設計師張玉花表示，不管是地球與巡視器間的通信延時，還是月球背面著陸區的地形崎嶇，抑或是沒有光照的漫長月夜，都將考驗嫦娥四號著陸器和巡視器。好在，落月這一步已經順利走完。

 

　　挑戰一：至少數分鐘的通信延遲

 

　　月球的一面對著地球，而另一面則永遠背對著地球。嫦娥四號任務與嫦娥三號任務的首要不同，就在于探測器降落地點由月球正面改為了月球背面，這就使得探測器與地球的直接通信信號受到月球遮擋，必須通過“鵲橋”中繼星進行信號中轉。

 

　　2018年5月21日，八院研制的長征四號丙運載火箭成功將“鵲橋”中繼星送入地月轉移軌道，衛星隨后進入環繞地月L2點的使命軌道，為后續著陸器、巡視器與地面站之間的測控和數據傳輸提供中繼服務。

 

　　隨之帶來的問題是，地球與巡視器間的通信延時大大增長。

 

　　張玉花說，在動力下降過程中，著陸器不能對地直接通信，只能通過中繼星進行上下行操作，這些都是此次任務的難點。

 

　　八院804所測控分系統主任設計師汪瑩也提到，不同于嫦娥三號任務時，科研人員可以在監控屏前實時觀察到巡視器對指令的執行狀況，此次從指令發出到行動圖像傳回，至少有數分鐘的延遲，對于巡視器的移動和機構活動有較明顯的影響。

 

　　科研人員為此計算并設定了巡視器每項行動的最大耗時，連同每次行動指令一同發送，同時賦予巡視器一定的自主功能，以便有效應對可能的突發狀況。

 

　　汪瑩告訴記者，與嫦娥三號巡視器相比，嫦娥四號巡視器測控數傳分系統不僅要承擔與著陸器的數據通信的功能，還要與中繼星進行遙測和數據傳輸，這就要求測控數傳分系統充分考慮冗余設計，提高系統可靠性。

 

　　挑戰二：漫長月夜靠誰供給能量

 

　　一個月夜相當于地球上14天。同時，月夜最低溫度可達到零下180攝氏度。

 

　　在沒有光照的漫長黑夜里，對于依靠太陽能提供能量的嫦娥四號著陸器和巡視器，如何憑借自身存儲的能量，安全度過月夜將是一個很大的挑戰。

 

　　科研人員提出休眠喚醒的概念：當太陽緩慢地升起時，著陸器和巡視器將開始忙碌的14天工作——著陸器在原地實施科學探測，巡視器則“東奔西走”開始探測。

 

　　而當月夜降臨時，巡視器會為自己找好棲身之所，收起桅桿，合上太陽翼，開始休眠。一直到太陽照射到月球車太陽翼的電池片上，喚醒“沉睡”的巡視器和著陸器，開啟又一次勘測。

 

　　探月工程太陽電池電路負責人陳城透露，嫦娥四號采用了三結砷化鎵太陽電池，光電轉換效率大大提升。而且，新電池降低了太陽電池片的厚度，為太陽電池“減重”了10%。

 

　　挑戰三：著陸區地形崎嶇撞擊坑大且密

 

　　嫦娥四號著陸區是位于月球背面南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑。張玉花說，嫦娥三號的虹灣著陸區整體地形平坦，與之相比，嫦娥四號著陸區地形比較崎嶇，撞擊坑大且分布密集，這就對探測器著陸區的選擇和著陸精度提出了更高要求。

 

　　此外，巡視器還要面對月球表面晝夜溫差變化大、低重力環境以及細小微塵的污染等問題。

 

　　比如，月球重力只有地球的1/6，科研人員要針對這種低重力環境，對巡視器的移動速度、距離、越障能力等狀態和參數進行充分的地面力學分析和驗證，并結合月面散落的隕石和撞擊坑的狀態，使其具有一定的障礙識別和自主避障能力。

 

　　張玉花告訴記者，在整個任務過程中，科研團隊為巡視器定義了感知、移動、探測、充電、安全、月晝轉月夜、休眠、月夜轉月晝7種工作模式，以應對不同的月面環境。