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5年了,你还记得嫦娥三号和玉兔车吗?

2018-12-03 09:51来源:光明网

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  近日,中国国家航天局公布了嫦娥四号将于2018年12月某个时间发射的消息,再一次激发了公众对我国航天事业的高度关注。五年前的今天,嫦娥三号成功发射开启了我国首次月面软着陆与巡视勘察。今天,带着对嫦娥四号任务的美好祝愿,让我们一起回顾嫦娥三号的辉煌历程。

  2013年12月2日1时30分,“嫦娥三号”从西昌卫星发射中心成功发射,在经历将近13天的地月转移、环月和动力下降等工作过程之后,于2013年12月14日21时11分,成功软着陆于雨海北部19.51°W,44.12°N的位置处,成为继1976年前苏联的月球24号后首个在月球表面软着陆的探测器。

  随即,嫦娥三号开展了着陆器就位探测和月球车月面巡视勘察的联合探测,开始进行“探月、巡天、观地”等科学探测:月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和可利用资源调查、地球等离子层探测和月基光学天文观测。根据预定的探测计划,嫦娥三号取得了一系列重要的成果。

  嫦娥三号着陆区

  由于嫦娥三号是中国首次在月面实施的软着陆任务,因此选取一个工程上安全、科学上有价值的着陆区是事关成败的一项重要工作。我国的科学家总结了各国任务的经验教训,综合利用国内外大量的探测数据,经过缜密的空间分析和计算,遴选出了五个备选着陆区:虹湾、阿里斯基撞击坑、酒海、湿海和开普勒撞击坑。

  最终,通过进一步调查、分析和研究初选的软着陆区的形貌、地质背景和资源,确定了虹湾地区作为首选的月球软着陆区。而当时仍在执行任务的嫦娥二号也充分发挥了其嫦娥三号先导星的作用,先后两次将轨道降到15公里高度,对虹湾地区进行了高分辨率成像,为嫦娥三号着陆任务的研究与开展提供了1.5米分辨率的图像支持。

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图1 嫦娥三号五个备选着陆区

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图2 嫦娥二号15公里轨道两次虹湾区域成像覆盖范围

  最终,嫦娥三号成功着陆于经纬度为19.51°W,44.12°N的位置,位于雨海北部雷克蒂山脉以南约120公里,北距拉普拉斯F撞击坑(最近的命名地貌)约41公里,实际着陆点位于嫦娥3号预选着陆区(图3中红线矩形区域,约356 km × 91km)中的第一个预定着陆点,邻近地貌为平坦的月海,着陆处反照率较低,其北不远处为反照率较高的区域。而为了纪念中国首次在月球上的成功着陆,国际天文学联合会也正式将嫦娥三号着陆点周边方圆77米区域(图4蓝框区域)正式命名为“广寒宫”。

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图3 嫦娥三号着陆位置

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图4 广寒宫及内部推广使用的月球地名

  两器互拍

  嫦娥三号第一个重要的任务就是两器互拍,即着陆器和巡视器分别利用自身搭载的相机为对方拍照。巡视器从着陆器上被释放后,按照预设的路径规划,沿着着陆器的正后方、侧方、正前方所设定的A、B、C、D、E共5个点,以60°为间隔绕着陆器行驶,并在这5个位置与着陆器进行互拍,均获取了大量的影像数据。

  在此过程中,携带的相机还同时开展了月面环拍和对地球静态成像,成功获取了着陆区高清影像数据和高精度地形数据,以及在月球上拍摄的地球影像数据。这些科学数据精确地刻画了着陆点周围及巡视器探测路线附近的月表地形地貌特征,为巡视器月面科学探测过程中科学探测点的选取提供了依据,也为后期着陆区形貌特征、地质构造等相关研究提供了重要的基础数据。

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图5 五个位置点获取的巡视器和着陆器的互拍照片

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图6 两器互拍阶段拍摄的着陆器照片(带红绿眼镜可观看立体效果)

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图7 地形地貌相机拍摄的着陆器周边360°全景镶嵌影像图,采用方位投影方式表达

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图8 2013年12月25日00:30分拍摄的地球照片

  科学探测

  在完成既定的两器互拍任务之后,巡视器与着陆器上搭载的有效载荷相继按照预先制定的探测计划开展了科学探测活动,巡视器从图5中的N106(即两器互拍的E点)沿着路线前进,并在12月26日到达N201点后关闭了电源进入月夜休眠。

  在经历长达14个地球日的极低温环境考验后,巡视器和着陆器先后成功唤醒,开启了他们第二个月昼的探测征程,然而遗憾的是2014年1月25日,玉兔号发生了机构控制故障,虽然其他科学探测功能并没有丧失,但却因为无法移动而永远地停留在了N209点处。与此同时,着陆器上的有效载荷仍在默默工作,而其中的月基光学望远镜更是一直坚持到现在仍具备良好的工作条件。

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图9 巡视器巡游路线图

  在整个科学探测期间,除了相机设备获取的影像和地形数据之外,其他搭载的有效载荷也获取了大量的科学数据成果:

  月基光学望远镜:国际上首次依托地外天体平台开展自主天文观测。

  月基天文望远镜摆脱了大气窗口的限制,在月球表面实现了对多种类型天体(恒星)的近紫外波段(探测波段245~340nm)的科学探测,是国际上首次实现依托地外天体平台开展的自主天文观测。

  月基光学望远镜也是嫦娥三号所有科学仪器中工作时间最长的设备,月昼期间每天开机工作约12至18小时左右,截止到2018年6月,月基天文望远镜累计观测时间约为6962小时,共获取了34万多幅图像数据,为恒星演化、致密星和黑洞物理、高能天体等基础科学课题提供了研究支持。

  极紫外相机:首次获得月基大视角观测的地球等离子体层图像数据。

  着陆器上的极紫外相机可以对地球等离子体层产生的30.4nm辐射进行大视角、长期的观测研究,获取地球等离子体层的图像数据,是国际上首次在月球表面工作的极紫外波段成像仪器。

  截止2014年6月12日,极紫外相机在每个月昼期间开展对地球等离子层的观测。共获取了1045幅图像数据,累计观测时间约230小时,为研究等离子体层的结构与动力学,以及电场分布提供翔实可信的数据。

  测月雷达:获取月壤厚度分布和月球次表层地质结构相关科学数据。

  嫦娥三号巡视器搭载的测月雷达是一种双通道天线雷达,其第一通道工作中心频率为60MHz,厚度分辨率为米级,探测深度大于100m;第二通道工作中心频率为500MHz,厚度分辨率小于30cm,探测深度大于30m。

  截至2014年4月27日,测月雷达共开机工作8.3小时,探测的有效距离约为109米,共获取雷达第一通道回波数据18513道,第二通道回波数据32381道,为月壤厚度分布和月球次表层地质结构的研究提供了基础性的数据。

  红外成像光谱仪:获取光谱数据。

  嫦娥三号巡视器上搭载的红外成像光谱仪对巡视区月表物质类型和矿物组成进行了探测,累计工作时长约8.8小时,截止第二月昼仪器正常工作任务结束,共对4个月壤对象进行了光谱探测,总共获取了840帧可见近红外(光谱范围450nm~950nm)光谱图像数据和2240帧短波红外(光谱范围900nm~2400nm)光谱数据,为着陆点附近矿物组成研究提供了数据。

  粒子激发x射线谱仪:获取能谱数据。

  嫦娥三号搭载的粒子激发X射线谱仪(能量范围0.5~20keV)在月面工作期间累计时长约4小时,对两个位置点月壤样品的化学成分进行分析,总共获取了2091帧能谱数据。为着陆点附近的元素成分反演等研究提供了数据。

  结 语

  尽管留有一丝遗憾,但作为我国首次的地外软着陆探测器,嫦娥三号已经圆满出色的完成了其使命任务,为我国后续地外软着陆任务的开展积累了大量工程和科学上的经验,对科学探测数据的研究也取得了丰硕的科研成果。

  正是因为嫦娥三号任务所奠定的一系列成功基础,我国才能够创造性地提出将其备份星——嫦娥四号软着陆于月球背面的目标,开创人类历史上首次月球背面软着陆和巡视勘察的伟大创举。纪念是为了更好的前行,让我们共同期待我国后续的月球与深空探测任务能够取得更多更丰硕的成果,谱写出人类探测历程的新篇章。

  供稿:月球与深空探测研究部

[责编:蔡琳]

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