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王建宇院士:嫦娥“睁眼”落月,激光遥感技术功不可没

time: 2019-01-07 11:04:31 作者:

  “美国人登陆月球是闭着眼睛下去的,我们则是睁着眼睛下去的。” 探月工程总设计师吴伟仁院士形象地说。
  
  北京时间 2019 年 1 月 3 日上午 10 点 26分,嫦娥四号月球探测器在经过 26 天的等待之后,终于着陆在了月球背面南极-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。嫦娥四号还通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。这也意味着通过中继卫星,地球正式与月球背面建立了联系。
  
  “美国人在探月方面最大的成就是成功建立起月球与地球之间激光通信。现在中国人是要建立起月球背面与地球之间的通信,这是人类首次。” 中科院上海技术物理研究所王建宇院士在接受第一财经独家采访时表示。
  
  在嫦娥四号探测器上有三大装备——激光测距敏感器、激光三维成像敏感器和红外成像光谱仪,并且帮助嫦娥四号顺利降落在月球背面。王建宇院士团队负责这三大设备的研制。
  
  他还对记者透露,1月4日月球车将会打开,里面所安装的 “红外眼”——红外成像光谱仪就将开始两栖对拍以及后续的科学实验探测。
  
  “自动驾驶”助力嫦娥安全落月
  
  “从嫦娥三号在月球的虹湾实现软着陆开始,我们的探测器就是‘睁着眼睛下去的’。”王建宇院士对第一财经记者表示,“这依靠的是探测器上安装的激光遥感技术,这也是目前人类登月过程中使用的最为先进的技术设备。”
  
  王建宇院士介绍,嫦娥四号探测器上包括激光测距敏感器、激光三维成像敏感器和红外成像光谱仪三大装备,就像一双双睁大的眼睛,望向月球,并且帮助嫦娥四号顺利降落在月球背面。
  
  “激光测距敏感器和激光三维成像敏感器是落月过程中必不可少的‘眼睛’,是确保探测器安全着陆最关键、最核心的技术装备。”王建宇院士向第一财经记者介绍道,“有了它们,探测器就能准确地知道自己每时每刻距离月球表面的距离,并且清楚地看到着陆区域的地形地貌,从而寻找到安全的着陆地点。”
  
  据介绍,激光测距敏感器就像是一台高性能的“倒车雷达”,在嫦娥四号着陆器距离月面15千米高度时,激光测距敏感器开始工作,每秒向月面发射两次激光脉冲,通过测量月面回波脉冲信号与激光发射脉冲信号的时间间隔,获得嫦娥四号着陆器相对于月面的精确距离,测量精度在0.2米之内。
  
  “在着陆器下降到距月面约8000米时,它的姿态发生调整,激光测距敏感器也将随之切换测距方向,直到完成平稳落月。”王建宇告诉第一财经记者,“嫦娥四号激光测距敏感器的激光光源、探测器、高压电源等核心元部件均为国产自研,并进一步提高了系统的集成化、轻量化程度。”
  
  难度更大的工作在于探测器在非常接近月球表面时往哪里着陆比较安全。王建宇院士对第一财经记者表示,过去探测器着陆都是“闭着眼睛”,720秒的着陆过程被人们称为“黑暗时刻”,但是有了中国自主研发的最新的激光三维成像技术之后,就解决了嫦娥四号 “落向哪里”的问题,几百秒的“黑暗时刻”可以重见光明。
  
  据介绍,虽然嫦娥四号的预定着陆区艾特肯地区较为平坦,但表面仍然存在高坡、陨石坑、大石块等诸多不确定因素,精确避障极为重要,激光三维成像敏感器就能帮助其精确实现避障。
  
  具体的操作方式是当嫦娥四号到达距月面100米的悬停位置时,激光三维成像敏感器开始工作,包括采集月面的三维图像,精确识别出高于15厘米的石头或低于15厘米的坑,确保探测器降落在安全区域。
  
  “这些精细的扫描成像工作,只需短短几秒就完成了。”王建宇院士对第一财经记者表示,“我国在几个航天大国中较早地把激光三维成像技术用于月面着陆,目前应用非常成熟。”
  
  以上两个设备属于工程设备,解决了嫦娥“落月”的问题。当成功着陆后,未来的科学实验探测才真正开始。为此,王建宇院士团队还为首次到达月球背面的月球车装上了“红外眼”——一个重量不到6千克的红外成像光谱仪,这台仪器能够通过获取精细光谱信息,帮助科学家识别月壤及月面岩石的成分。有了它,月球车走到哪里,这双“眼睛”就望向哪片月面。王建宇院士介绍称,嫦娥四号红外成像光谱仪不仅集成最新遥感技术,还成功实现轻小型化,综合性能优于欧美同类产品。
  
  往返地月 飞向火星
  
  王建宇院士向第一财经记者介绍道,红外成像光谱仪将于1月4日开始工作,并进行月球表面物质样本的图片采集。“目前嫦娥四号发回什么样的图片和探月真正的科学意义可能还存在矛盾。”王建宇院士对第一财经记者表示,“目前传回的照片只是为了说明‘我到了月球上’,象征意义更大,但是未来要实现其科学意义,比如探测地面的光谱等,还需要很长时间的积累。”
  
  嫦娥四号的“落月”也标志着我国探月工程的第二阶段顺利完成。未来的三期工程将由嫦娥五号任务组成,实现月面自动采样返回的科学目标,并开展月球样品的地面分析研究。嫦娥五号探测器预计将在今年下半年发射前往月球,并带回采集的样本——这将是自1976年以来的首次。
  
  王建宇院士表示,嫦娥五号在未来发射后的几年内就将返回地面。“这也将实现人类探测器首次登陆月球并返回地球的壮举。”王建宇说道。同时,中国还在考虑载人登月任务。
  
  “人类首次在月球背面的着陆固然意义重大,也象征着中国在航天技术能力方面的提升,下一步我们还将继续探索在火星的‘探’与‘落’。”王建宇院士对第一财经记者表示,“但是在火星探测方面,美国的实力仍然绝对领先我们,当然中国近几年也在加速赶上。”
  
  除了登月计划,人类对火星的探索也从未终止。去年5月美国国家航天局NASA向火星发射了InSight探测器,在历时6个月的旅行后,InSight探测器已于去年11月26日在火星着陆,并将于今年3月完成所有仪器的科学配置,并开始地质勘探。
  
  相关统计数据显示,在过去50年里,人类发射的全部着陆器和漫游车只有约40%安全地降落到火星表面,而且在所有尝试发射的国际太空机构中,只有NASA的探测器成功在火星上着陆。
  
  欧洲也在加大对火星的勘探投入。去年7月26日,《科学》杂志刊登了一项重要发现,意大利科学家通过欧洲航天局的“火星快车” (Mars Express)探测器的雷达系统,监测到了在火星南极1500米冰盖下的大面积液态湖泊。据分析,这片湖泊至少有几米深,直径约20公里,这一发现也成为火星探索旅程中的重大突破,不仅为火星的生命搜寻提供关键证据,还为数十亿年间的火星环境的转变提供了新的线索。