嫦娥四号有效载荷揭秘

2019年10月27日15:40:15嫦娥四号有效载荷揭秘已关闭评论 56 views

李洪丹

嫦娥四号成功登陆月背,可谓万众瞩目, 多项“神器”在此次任务中功不可没。

与嫦娥三号一样,嫦娥四号仍由着陆器和巡视器(又叫月球车)组成,它们所使用的平台也基本相同,但是因为嫦娥四号与嫦娥三号科学目标差异很大,因此两者所装载的科学探测设备有明显变化,其中最主要的特点是装载了几台国外科学载荷,例如,德国月表中子与辐射剂量探测仪、瑞典中性原子探测仪、荷兰的低频射电探测仪。

嫦娥四号任务有效载荷总体指挥徐欣锋介绍,科学载荷主要分布于“两器一星”中—— 着陆器、巡视器和中继星

着陆器上的有效载荷

与嫦娥三号类似,嫦娥四号的着陆器上仍装有降落相机、地形地貌相机,但增加了国内新研发的低频射电频谱仪,以及德国的月表中子与辐射剂量探测仪,去掉了月基光学望远镜、极紫外相机。

1. 降落相机

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嫦娥四号探测器月球背面软着陆后降落相机拍摄的图像

降落相机来自中国航天科技集团五院 508 所,它的任务是“直播”降落全程。除此之外, 降落相机 FPGA 软件增加了一种高压缩比图像数据,完美解决了探测器动力下降过程中,相机地面软件实时接收降落相机拍摄的高压缩比图像,探测器落月后再回放降落相机拍摄的科学数据。

而整个降落过程中保障月面视频画面成像清晰,是由浙江大学徐之海教授团队设计的降落相机光学镜头完成的。

2.激光测距敏感器

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激光测距敏感器 中科院上海技物所供图

中科院上海技物所的激光测距敏感器是全新研制的,仿佛一台高性能“倒车雷达”。在嫦娥四号着陆器距离月面15 km 高度时,激光测距敏感器就开始工作,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0.2 m 之内。在着陆器下降到距月面约8 km 时,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。

其中,测距敏感器激光器由中科院上海光学精密机械研究所提供,此激光器是国内首个空间应用的固体激光器,采用独有的专利技术和核心工艺,满足了空间极端环境下的使用要求。

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测距敏感器激光器 中科院上海光机所供图

3. 激光三维成像敏感器

比激光测距敏感器任务更艰巨的,是激光三维成像敏感器——它肩负着为着陆器选择安全可靠着陆地点的重任,而且必须独立完成任务,确保在仅有的3 次机会中找到起伏小于20 cm 的平地。

在着陆器离月面100 m 高度时,会有一次悬停,此时激光三维成像敏感器开始工作:每秒钟内激光器会发射出5 万个激光脉冲,在0.25 s 内实现30°视场的获取,并在1 s 内做出判断。激光三维图像高程精度优于5 cm,相比地球上的
智能驾驶激光雷达还要精准。

该器件由中科院上海技物所研制,上海光机所提供光源——三维成像敏感器光纤激光器。

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4.  地形地貌相机

地形地貌相机由中科院光电技术研究所研制,这台载荷安装在着陆器的云台上,受云台控制,展开后将对周围进行 360°成像,获取着陆器周围的光学图像,用于月球地形地貌的科学考察。

与此同时,地形地貌相机还负责监视巡视器围绕着陆器的运动过程,当月球表面温度较高时采取闭储状态。

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5. 低频射电频谱仪

由于月球背面屏蔽了地球的无线电、极光等干扰,电磁环境干净,为开展空间科学领域最前沿的低频射电天文观测与研究提供了理想场所。
在此次嫦娥四号任务中,中国自己研制的低频射电频谱仪将利用月球背面没有地球电磁波干扰和天然洁净的环境,研究太阳爆发、着陆区上空的月球空间环境,还可以对来自太阳系行星的低频射电场进行观测,并“聆听”来自宇宙更深处的“声音”。

6. 月表中子与辐射剂量探测仪

德国月表中子与辐射剂量探测仪体积只有两个咖啡杯般的大小。核心目标是测量月球表面粒子基本辐射情况和危害程度,能够为月球的开发和载人登月做好前期准备。另一个附加功能是进行水资源的信息获取。
这个载荷具有中子测量的功能,因而能够推断行星表面或者内部是否含有氢资源。此外,该载荷还可以对日地间太阳风暴粒子加速和传播机制进行研究,也能测量月球表面的氧化铁含量,分析月球形成和演化过程。

巡视器上的有效载荷

嫦娥四号的巡视器上仍装有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪,但增加了瑞典的中性原子探测仪,去掉了粒子激发 X 射线谱仪。

1.全景相机

中科院西安光机所研制的全景相机是嫦娥四号探测器的重要载荷之一,由两台相同的相机组成,安装在巡视器桅杆上。通过类似人眼的“双目立体视觉”原理,这对相机可以实现对目标的立体成像,依靠桅杆的左右旋转和上下俯仰,实现对月球表面的大视场三维成像, 完成探测月表形貌与地质构造的科学目标。

2. 测月雷达

该载荷由中科院电子所研制,与嫦娥三号搭载的测月雷达没有差别,但却是重新生产的产品。

测月雷达的工作原理为向地下发射微波信号,在碰到不连续平面时发生反射,根据接收的信号可以对岩石、分层、熔岩等目标进行探测。该载荷安装在月球车上,可以随着月球车的轨迹形成月球介质剖面,通过数据还可以分析月谱信息的时间周期由 25 min 缩短了一半,是一台高性能、轻小型、高集成的仪器,其综合性能处于国际先进水平。

它具备可见近红外波段的光谱成像和短波红外谱段的光谱探测功能,在月球车的辅助下可以获取月表指定位置的精细光谱信息。

3. 红外成像光谱仪

嫦娥四号巡视器上的红外成像光谱仪体重不到6 kg,在工作时能适应-20℃ ~+55℃的温度环境,和嫦娥三号相比,它单次获取月表光谱信息的时间周期由25 min 缩短了一半,是一台高性能、轻小型、高集成的仪器,其综合性能处于国际先进水平。
它具备可见近红外波段的光谱成像和短波红外谱段的光谱探测功能,在月球车的辅助下可以获取月表指定位置的精细光谱信息。

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4. 中性原子探测仪

这是中国和瑞典合作的有效载荷,用于观测巡视探测点 0.01-10 keV 能量范围内的能量中性原子及正离子,这将是国际首次在月表开展能量中性原子探测。通过探测月球表面的中性原子和离子,中性原子探测仪将在那里监测太阳风和月球表面之间的相互作用,首批数据有望在 2019 年 2 月中旬左右发回。

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中继星上的有效载荷

1.低频射电探测仪

低频射电探测仪是中国和荷兰合作用于探测来自太阳系内天体和银河系的 0.1-80 MHz 低频射电辐射,为未来太阳系外的行星射电探测提供重要的参考依据,也能够探测地球两极的射电爆发。

 2.中继星双分辨率相机

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嫦娥四号中继星双分辨率相机

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2018 年7 月14 日在地月拉格朗日L2 点附近

首次获取了地月合影

浙江大学徐之海教授团队主持研制双分辨率相机于2018 年7 月13-14 日开机,人类历史上首次获取了从地月拉格朗日L2 点附近拍摄的地月合影及地球、月球特写图像。6 个多月的在轨运行表明,光学相机工作可靠、像质清晰,圆满完成了预定任务。中继星光学观测相机系统后续还将在2019 年下半年择机开展拓展成像试验。

3. 大孔径中空角锥反射镜

在中继星上搭载1.6 kg 重的单体17 cm 大孔径中空角锥反射镜,配合地面0.5 m 口径激光发射望远镜和1 m 口径激光接收望远镜,进行月球和中继星之间的激光测距,预计单程测距误差优于15 mm。

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激光角发射镜(深空探测学报,2017,4(2):“嫦娥4 号”
月球背面软着陆任务设计)

 

此外,还有

1.月球小型光学成像探测仪

沙特阿卜杜光勒学国王科技城研制的这台光学相机,搭载在随嫦娥四号中继星任务一起发射的由哈尔滨工业大学研制的“龙江二号”微卫星上。2018 年 5 月 28 日,沙特相机首次开机, 顺利实现对月观测,成功获取了清晰的月球表面可见光图像,并完成了图像数据的解译处理, 中沙双方共享此载荷数据。

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嫦娥四号任务搭载沙特相机地月合影图

中新社发、中国国家航天局供图

2.探测器和中继星测定轨任务

上海天文台65 m口径的天马望远镜,与北京密云站、云南昆明站、乌鲁木齐南山站的射电望远镜携手组成甚长基线干涉(VLBI)网—— 其测量精度或测量分辨率等效于口径 3000 多千米的综合望远镜。中科院上海天文台等单位共同为嫦娥四号探测器和中继星测轨定位,为其保驾护航。

作为现代天文观测中分辨本领最高的观测手段之一,VLBI 各个观测单元之间不需要电的连接,而是采用独立本振技术,通过联合数台小望远镜来达到一台大型望远镜的观测效果。

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天马望远镜,中科院上海天文台供图

3.各式温控外衣

月球上的“环境极其”恶劣,月昼时温度超过100℃,月夜时温度又下降到 -200℃,这对嫦娥四号和它所携带的设备是个不小的挑战。为了帮它们创造温度适宜的工作环境,中国科学院上海硅酸盐研究所、上海有机所为嫦娥四号特制了各种神奇“外衣”,用以“防寒、保暖、散热”。

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嫦娥四号着落器7500N 发动机高温多层隔热材料

中科院上海硅酸盐所供图

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制成嫦娥四号特殊“外衣”的部分布料,金婉霞摄

 

参考来源:

  • 人民日报:专家解读丨成功登月的嫦娥四号, 袖里揣了哪些宝?
  • 网易军事:人类首个月球背面探测器:嫦娥四号有哪些亮点
  • 北京市科学技术协会:关于" 嫦娥四号" 你想知道都在这里
  • 中新网:嫦娥四号凌晨赴月球之约,这些“神器”出自上海
  • 浙江新闻:浙籍院士王建宇解读:嫦娥四号落月靠这些“眼睛”
  • 文汇报:科研人员给嫦娥四号移植了孙悟空的火眼金睛,让她在黑夜里探索宇宙秘密,还为娇弱的她定制了特种“宇航服”
  • 中国经济网:嫦娥四号上的相机真神
  • 陕西日报:嫦娥四号上的全景相机
  • 解放军新闻传播中心:嫦娥四号将探测出世界第一幅月背剖面图
  • 中国新闻网:中沙联合发布嫦娥四号中继星任务搭载沙特相机对月成像
  • 浙江新闻:嫦娥降落时成功拍摄月面视频背后离不开这个浙大团队
  • 中科院上海光机所:上海光机所研制的测距敏感器激光器和三维成像敏感器光纤激光器助力“嫦娥四号”探测器成功着陆月球背面
  •  深空探测学报,2017,4(2):“嫦娥 4 号” 月球背面软着陆任务设计
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