玉兔二号与着陆器玩互拍 带你看嫦娥四号在月背做的三件大事

来源:“中国科普博览”公众号(ID:kepubolan)

还记得2013年12月15日,玉兔号踏上月面之后,着陆器的地形地貌相机和月球车玉兔的全景相机的两器互拍么?

午休之后的玉兔二号于1月10日被唤醒。11日,时隔5年,我们再次看到了着陆器和月球车历史性的两器互拍!

据新华社报道,11日下午,嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器工作正常,在“鹊桥”中继星支持下顺利完成互拍,地面接收图像清晰完好,中外科学载荷工作正常,探测数据有效下传,搭载科学实验项目顺利开展,达到工程既定目标,标志着嫦娥四号任务圆满成功。至此,中国探月工程取得“五战五捷”。

嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器互拍(来源:央视)

一、嫦娥四号着陆后的日程安排

2019年1月3日上午10:26,嫦娥四号月球探测器顺利着陆在月球背面东经177.6°,南纬45.5°的冯·卡门撞击坑中,成为人类首颗成功软着陆月球背面的探测器。

1月3日22:22分,月球车“玉兔二号”顺利踏上月球背面!它将接替玉兔号月球车,成为“看星星最多的兔子”!

(左上)嫦娥四号降落相机的照片和LROC NAC影像的匹配,来源:LROC/ASU[1](左下)冯·卡门撞击坑位置(右)嫦娥四号着陆区。来源:LROC WAC/NAC/haibaraemily

上图右边这个大约3×5公里的区域,就是小兔子着陆后,在月背的主要活动范围。

从1月3日22:22分到1月4日晚17:00,嫦娥四号已完成:

着陆器与玉兔二号巡视器(月球车)分离

嫦娥三号释放月球车玉兔号(左)和嫦娥四号释放月球车玉兔2号(右),由各自的监视相机C拍摄。来源:探月工程

着陆器上的低频射电频谱仪的三根5米天线展开到位

着陆器上的德国月表中子及辐射剂量探测仪(LND)开机测试

着陆器上的地形地貌相机拍摄的影像图陆续通过中继星鹊桥传回地球

玉兔二号与中继星成功建立独立数传链路,完成了环境感知、路径规划

玉兔二号按计划在月面行走到达A点,测月雷达、全景相机已开机,工作正常。其他有效载荷陆续开机。

着陆器监视相机C拍摄的行走到A点的玉兔二号。

来源:中国探月工程

这里就是玉兔二号的A点了,此前几天里,嫦娥四号迎来了月昼的高温考验。为了应对高温,玉兔二号选择择机进入“午休”模式。小兔子在这里进行了午休。

二、嫦娥四号在月背做的三件大事

嫦娥四号此行主要有三大目标:

1、探测月球背面巡视区的地形地貌、矿物成分;

2、探测背面巡视区的浅表层结构;

3、利用月球背面得天独厚的射电天文环境展开低频射电天文观测。

要完成这些目标,嫦娥四号带了不少“身怀绝技”的科学仪器。

作为嫦娥三号的备份机,嫦娥四号不管是外形还是携带的科学仪器都很大程度上继承了嫦娥三号,各自都携带了8个科学仪器,但根据实际探测目标和探测环境的变化对携带的科学仪器做出了新的调整[2-4]。

1. 降落相机(着陆器):看清降落过程中的月表状况

降落相机位于着陆器底部,大小116×100×70.4毫米,重约0.5公斤,硬件指标与嫦娥三号的着陆相机相同。

降落相机的主要任务是在着陆器降落过程中获取不同时段不同高度处降落区域的地形地貌数据,因此会一直垂直指向月表。

嫦娥四号动力下降过程中(左)和软着陆月背后(右)降落相机拍摄的月面。来源:中国航天科技集团、探月工程

这两张就是1月3日嫦娥四号降落相机拍摄的月面照片[5],上一节介绍的嫦娥四号具体着陆区范围就是根据这些照片判断的。

由于降落相机只在降落过程中使用,所以它的工作时间非常短,只有几分钟。

也就是说,早在1月3日,降落相机就已经出色完成了任务!

2.地形地貌相机(着陆器):看清着陆区附近的地形地貌

地形地貌相机位于着陆器顶部,大小为92×105×118.9毫米,重约0.64公斤,可以拍摄可见光波段下的彩色影像,硬件指标与嫦娥三号的地形地貌相机相同,由中科院光电技术研究所研制。

地形地貌相机的主要任务是拍摄月球表面和月球车的影像,可以拍摄着陆区周围360°的全景照片。

这是当年嫦娥三号的着陆器地形地貌相机在2013年12月20日拍摄的全景照片拼接图,可以看到自己的太阳能板和一部分组件、远处的月球车玉兔,以及玉兔留下的车辙。

来源:Chinese Academy of Sciences / Don Davis [6]

2019年1月11日,嫦娥四号的地形地貌相机也给我们带来这样壮观的景色。

“嫦娥四号”着陆器地形地貌相机环拍全景图(圆柱投影)(图片来源:国家航天局)

“嫦娥四号”着陆器地形地貌相机环拍全景图(方位投影)(图片来源:国家航天局)

3.低频射电频谱仪(着陆器):开展天文观测

低频射电频谱仪是嫦娥四号为了充分利用月球背面天然无干扰的射电天文环境而新搭载的仪器,任务是在月球背面进行太阳低频射电特征和月表射电环境的观测,填补0.1-40 MHz范围内的射电观测空白[1]。

3根5米长的低频射电频谱仪天线是为了分别接收电磁波信号的三个相互垂直的分量,这也是嫦娥四号着陆器与3号在外形上最显著的区别。

来源:中国探月工程

由于电离层的阻挡,波长10米以上的电磁波几乎完全无法穿透大气来到地球表面,想要对这类以及波长更长的低频电磁波进行观测,就必须离开地球大气层——月球背面就是一个极佳的观测场所。

地球大气的电磁波窗口。来源:维基

事实上,除了地球电离层的干扰,月球背面的低频射电观测还能有效屏蔽人类活动的干扰——10米以上在天文上是所谓的超长波(低频),但在人类社会活动看来却属于“短波”(“高频”)段,这可是民用无线电广播的主要频段。

另一方面,着陆器上搭载的低频射电频谱仪还会与鹊桥中继卫星上携带的荷兰研发的低频射电探测仪(NCLE)(0.1-80 MHz)协同观测,互为验证和补充。

4.月表中子及辐射剂量探测仪[德](着陆器):探测月表辐射剂量

与德国基尔大学合作研制,搭载在着陆器上,目标是测量月表包括带电粒子、γ射线和中子的综合粒子辐射剂量和LET谱,以及月表快中子能谱、热中子通量等参数。

两个盒子分别是月表中子及辐射剂量探测仪的传感头和电子单元。来源:[7]

测这些可以做什么呢?最直接的目的可以实地探测月球表面的辐射剂量。

人类想要探索太空,就必须要保护自己免于各种空间辐射的伤害,那首先我们就得知道不同地方的辐射剂量有多大。

近地轨道上的辐射剂量可以由空间站的宇航员直接测量,那月球的呢?目前为止只有两个探测器进行过测量——印度月船1号上的辐射剂量检测仪(RADOM,不过这个仪器并不是印度自己的,而是保加利亚科学院研制和搭载的)和NASA月球勘测轨道飞行器(LRO)搭载的宇宙射线望远镜(CRaTER),但这两个探测器都只是测量了环月轨道(距离月球表面分别为100公里和50公里高度)上的辐射剂量。

迄今为止,我们还没有对月球表面的辐射(包括一次辐射和二次辐射)进行过实地探测[7]——这正是嫦娥四号将要做的。也就是说,嫦娥四号将首次测量月球表面的各种粒子辐射剂量,为未来载人登月的安全活动和月表综合粒子辐射模型修正提供数据支持。

除了测量月表辐射之外,对热中子的测量还能帮助我们估算着陆区浅表层的水含量(实际探测的是氢,注意这里的水也是各种形态的水的统称,可能是水冰,也可能是羟基)。不过需要注意的是,这里的“探测水”和探测月球极区永久阴影区中的可能暴露的水冰完全不是一回事——极区永久阴影区通常分布在南北纬70度以上的极区,而冯·卡门撞击坑仅仅在中纬度(南纬45度)而已,离永久阴影区还远得很呐。

5全景相机(巡视器):拍摄月球车沿途情况

巡视器(月球车)上搭载了2台全景相机,大小90×110×120毫米,总重约0.69公斤。嫦娥四号上搭载的全景相机与嫦娥三号上的全景相机是“双胞胎”,是当年制造嫦娥三号的时候由中科院西安光机所同时研制生产的。

全景相机安装在月球车的桅杆上,可以实现对月球车沿途不同测区的360°黑白和彩色成像,还能通过2台相机对目标进行立体成像

这是当年嫦娥三号的月球车玉兔在N205点拍摄的全景照片拼接图,可以看到自己的低频测月雷达天线、自己碾过的车辙,以及远处的着陆器。来源:[7]

6红外成像光谱仪(巡视器):分析月表矿物成分

红外成像光谱仪位于月球车前侧,大小255×172×162毫米,重约4.69公斤,有可见光近红外(450-950纳米)和近红外短波红外(900-2400纳米)两个通道,硬件指标与嫦娥三号的红外光谱仪大致相同,由上海技物所研制生产。

红外成像光谱仪主要是通过测量目标区域的光谱,通过光谱中的吸收特征来探测月球车沿途有哪些矿物,分布是什么样的。由于嫦娥四号月球车不再携带粒子激发X射线谱仪(因此也就不需要机器臂了),红外成像光谱仪就成了嫦娥四号上唯一一台器上可以进行化学成分分析的仪器。

7测月雷达(巡视器):探测月球浅表层结构

由中科院电子所研制,通过主动发射和接收电磁波信号来探测月球车沿途地下的浅表层结构剖面,例如月壤厚度、月壳浅层结构等,帮助我们追溯巡视区所在区域的地质历史。

测月雷达的主要原理是不同物质的介电常数(可以简单理解为让电磁波衰减的能力)不同,因此探测器收到的从不同物质分界面反射回来的电磁波的时间和强度就会不同。那么反过来,通过测量到的雷达接收时间和反射强度,就可以反推这些雷达信号穿过了哪些不同的物质,每层物质有多厚。

测月雷达的工作原理。来源:IECAS

嫦娥四号和三号一样,搭载了2个不同频率的测月雷达,为的是兼顾探测深度和探测分辨率

低频测月雷达(第一通道)天线位于月球车后部,中心频率40~80 MHz,分辨率较低(米级),但可以探测较深的地下结构(≥100米);

高频测月雷达(第二通道)天线位于月球车底部,中心频率250-750 MHz,分辨率较高(≤30厘米),但只能探测较浅的地下结构(≥30米)。

红色箭头所指的就是2根低频测月雷达天线,高频测月雷达是蝶形天线,安置在月球车底部。改编自:中国航天科技集团

8中性原子探测仪[瑞典](巡视器):探测太阳风和月壤的相互作用机制

与瑞典空间物理研究所合作研制,搭载在月球车上。目标是测量月球车沿途0.01-10 keV能量范围内的能量中性原子和正离子,帮助我们了解太阳风是如何与月壤是相互作用的。

嫦娥四号月球车搭载的中性原子探测仪。来源:IRF[8]

不同于有磁场保护的地球,太阳风里的带电粒子会长驱直入直接打到月球表面,反射和溅射出能量中性原子(Energetic neutral atom,简称ENA)和其他粒子。

印度的月船1号探测器曾经用由欧空局研制的亚千电子伏原子反射分析仪(SARA)进行过相关观测,还通过这些探测结果研究了月球区域性的磁异常。

但月船1号的初步探测结果留下了两个谜团[8, 9]:1)月船1号只在距月面100公里的环月轨道上进行了探测,但月球表面的情况是怎样的?2)月船1号的探测结果显示,太阳风打到月壤上之后,有高达20%的太阳风质子以高能中性原子的形式反射出来,这个比例远高于之前的理论估计,实际情况真的是这样吗?

这些都是嫦娥4号打算探测和试图解开的问题,这些探测将帮助我们进一步了解太阳风和月壤的相互作用机制。

这也将是人类首次在月球表面进行中性原子探测。

9科普载荷(着陆器):种土豆、养果蝇

除了上面8个科学载荷之外,本次嫦娥四号任务还携带了重庆大学研制的科普载荷——月面微型生态圈。 这是一个由特殊铝合金材料制成的圆柱形“罐子”,高18厘米,直径16厘米,净容积约0.8升,总重量3公斤,安置在着陆器上。

“罐子”里将放置马铃薯种子、拟南芥种子、果蝇、土壤、水、空气以及照相机和信息传输系统等科研设备,观察和验证动植物在月面太阳自然光照和低重力条件下的生长状况。

月面微型生态圈初样件。来源:重庆大学

参考资料:

[1] LROC | On the Farside!

http://lroc.sese.asu.edu/posts/1084

[2] 吴伟仁, 王琼, 唐玉华, 于国斌, 刘继忠, & 张玮等. (2017). "嫦娥四号"月球背面软着陆任务设计. 深空探测学报, 4(2), 111-117.

[3] 贾瑛卓, 邹永廖, 薛长斌, 平劲松, 严俊, & 宁远明. (2018). 嫦娥四号任务科学目标和有效载荷配置. 空间科学学报, 38(1), 118-130.

[4] Jia, Y., Zou, Y., Ping, J., Xue, C., Yan, J., & Ning, Y. (2018). The scientific objectives and payloads of Chang’E? 4 mission. Planetary and Space Science.

[5] 嫦娥四号探测器传回近距离拍摄的月背影像图

http://www.xinhuanet.com/photo/2019-01/03/c_1123942441.htm

[6] http://www.planetary.org/multimedia/space-images/earth/panoramic-view-around-change3-don-davis.html

[7] http://www.ieap.uni-kiel.de/et/people/wimmer/2017-04-03-LND-review.pdf

[8]http://impact.colorado.edu/dap/talks/martin_wieser_dap-2017.pdf

[9]http://impact.colorado.edu/dap/abstracts/martin_wieser.pdf

(本文中标明来源的图片均已获得授权)

出品:科普中国

制作:haibaraemily、澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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