王建宇院士:嫦娥“睜眼”落月,激光遙感技術功不可沒

time: 2019-01-07 11:04:31 作者:

  “美國人登陸月球是閉著眼睛下去的,我們則是睜著眼睛下去的。” 探月工程總設計師吳偉仁院士形象地說。
  
  北京時間 2019 年 1 月 3 日上午 10 點 26分,嫦娥四號月球探測器在經過 26 天的等待之后,終于著陸在了月球背面南極-艾特肯盆地內的馮?卡門撞擊坑內,實現人類探測器首次在月球背面軟著陸。嫦娥四號還通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。這也意味著通過中繼衛星,地球正式與月球背面建立了聯系。
  
  “美國人在探月方面最大的成就是成功建立起月球與地球之間激光通信。現在中國人是要建立起月球背面與地球之間的通信,這是人類首次。” 中科院上海技術物理研究所王建宇院士在接受第一財經獨家采訪時表示。
  
  在嫦娥四號探測器上有三大裝備——激光測距敏感器、激光三維成像敏感器和紅外成像光譜儀,并且幫助嫦娥四號順利降落在月球背面。王建宇院士團隊負責這三大設備的研制。
  
  他還對記者透露,1月4日月球車將會打開,里面所安裝的 “紅外眼”——紅外成像光譜儀就將開始兩棲對拍以及后續的科學實驗探測。
  
  “自動駕駛”助力嫦娥安全落月
  
  “從嫦娥三號在月球的虹灣實現軟著陸開始,我們的探測器就是‘睜著眼睛下去的’。”王建宇院士對第一財經記者表示,“這依靠的是探測器上安裝的激光遙感技術,這也是目前人類登月過程中使用的最為先進的技術設備。”
  
  王建宇院士介紹,嫦娥四號探測器上包括激光測距敏感器、激光三維成像敏感器和紅外成像光譜儀三大裝備,就像一雙雙睜大的眼睛,望向月球,并且幫助嫦娥四號順利降落在月球背面。
  
  “激光測距敏感器和激光三維成像敏感器是落月過程中必不可少的‘眼睛’,是確保探測器安全著陸最關鍵、最核心的技術裝備。”王建宇院士向第一財經記者介紹道,“有了它們,探測器就能準確地知道自己每時每刻距離月球表面的距離,并且清楚地看到著陸區域的地形地貌,從而尋找到安全的著陸地點。”
  
  據介紹,激光測距敏感器就像是一臺高性能的“倒車雷達”,在嫦娥四號著陸器距離月面15千米高度時,激光測距敏感器開始工作,每秒向月面發射兩次激光脈沖,通過測量月面回波脈沖信號與激光發射脈沖信號的時間間隔,獲得嫦娥四號著陸器相對于月面的精確距離,測量精度在0.2米之內。
  
  “在著陸器下降到距月面約8000米時,它的姿態發生調整,激光測距敏感器也將隨之切換測距方向,直到完成平穩落月。”王建宇告訴第一財經記者,“嫦娥四號激光測距敏感器的激光光源、探測器、高壓電源等核心元部件均為國產自研,并進一步提高了系統的集成化、輕量化程度。”
  
  難度更大的工作在于探測器在非常接近月球表面時往哪里著陸比較安全。王建宇院士對第一財經記者表示,過去探測器著陸都是“閉著眼睛”,720秒的著陸過程被人們稱為“黑暗時刻”,但是有了中國自主研發的最新的激光三維成像技術之后,就解決了嫦娥四號 “落向哪里”的問題,幾百秒的“黑暗時刻”可以重見光明。
  
  據介紹,雖然嫦娥四號的預定著陸區艾特肯地區較為平坦,但表面仍然存在高坡、隕石坑、大石塊等諸多不確定因素,精確避障極為重要,激光三維成像敏感器就能幫助其精確實現避障。
  
  具體的操作方式是當嫦娥四號到達距月面100米的懸停位置時,激光三維成像敏感器開始工作,包括采集月面的三維圖像,精確識別出高于15厘米的石頭或低于15厘米的坑,確保探測器降落在安全區域。
  
  “這些精細的掃描成像工作,只需短短幾秒就完成了。”王建宇院士對第一財經記者表示,“我國在幾個航天大國中較早地把激光三維成像技術用于月面著陸,目前應用非常成熟。”
  
  以上兩個設備屬于工程設備,解決了嫦娥“落月”的問題。當成功著陸后,未來的科學實驗探測才真正開始。為此,王建宇院士團隊還為首次到達月球背面的月球車裝上了“紅外眼”——一個重量不到6千克的紅外成像光譜儀,這臺儀器能夠通過獲取精細光譜信息,幫助科學家識別月壤及月面巖石的成分。有了它,月球車走到哪里,這雙“眼睛”就望向哪片月面。王建宇院士介紹稱,嫦娥四號紅外成像光譜儀不僅集成最新遙感技術,還成功實現輕小型化,綜合性能優于歐美同類產品。
  
  往返地月 飛向火星
  
  王建宇院士向第一財經記者介紹道,紅外成像光譜儀將于1月4日開始工作,并進行月球表面物質樣本的圖片采集。“目前嫦娥四號發回什么樣的圖片和探月真正的科學意義可能還存在矛盾。”王建宇院士對第一財經記者表示,“目前傳回的照片只是為了說明‘我到了月球上’,象征意義更大,但是未來要實現其科學意義,比如探測地面的光譜等,還需要很長時間的積累。”
  
  嫦娥四號的“落月”也標志著我國探月工程的第二階段順利完成。未來的三期工程將由嫦娥五號任務組成,實現月面自動采樣返回的科學目標,并開展月球樣品的地面分析研究。嫦娥五號探測器預計將在今年下半年發射前往月球,并帶回采集的樣本——這將是自1976年以來的首次。
  
  王建宇院士表示,嫦娥五號在未來發射后的幾年內就將返回地面。“這也將實現人類探測器首次登陸月球并返回地球的壯舉。”王建宇說道。同時,中國還在考慮載人登月任務。
  
  “人類首次在月球背面的著陸固然意義重大,也象征著中國在航天技術能力方面的提升,下一步我們還將繼續探索在火星的‘探’與‘落’。”王建宇院士對第一財經記者表示,“但是在火星探測方面,美國的實力仍然絕對領先我們,當然中國近幾年也在加速趕上。”
  
  除了登月計劃,人類對火星的探索也從未終止。去年5月美國國家航天局NASA向火星發射了InSight探測器,在歷時6個月的旅行后,InSight探測器已于去年11月26日在火星著陸,并將于今年3月完成所有儀器的科學配置,并開始地質勘探。
  
  相關統計數據顯示,在過去50年里,人類發射的全部著陸器和漫游車只有約40%安全地降落到火星表面,而且在所有嘗試發射的國際太空機構中,只有NASA的探測器成功在火星上著陸。
  
  歐洲也在加大對火星的勘探投入。去年7月26日,《科學》雜志刊登了一項重要發現,意大利科學家通過歐洲航天局的“火星快車” (Mars Express)探測器的雷達系統,監測到了在火星南極1500米冰蓋下的大面積液態湖泊。據分析,這片湖泊至少有幾米深,直徑約20公里,這一發現也成為火星探索旅程中的重大突破,不僅為火星的生命搜尋提供關鍵證據,還為數十億年間的火星環境的轉變提供了新的線索。

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