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嫦娥四号绕月时间为何比嫦娥三号长,可不仅仅是为等天亮

日期: 2020-05-07 23:54 浏览次数 : 75

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图为1月3日在北京航天飞行控制中心拍摄的降落过程(示意图)。1月3日10时26分, 嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面的预选着陆区。(新华社记者 金立旺 摄)(拖拽图片可查看大图)

嫦娥四号落月前20多天忙啥?

中新社北京1月7日电 中国探月工程官方微信7日发布消息称,嫦娥四号绕月时间之所以比嫦娥三号长,是因为嫦娥四号需要等待月昼充能量、发射窗口限制多以及需要在轨测试求精细。

(科技日报1月4日报道)1月3日,嫦娥四号成功踏足月球背面,让中国航天又一次创造了人类首次。不过,它从2018年12月12日进入环月轨道至今,绕着月球飞了20多天才降落。许多网友表示不解:既然“起大早”,为啥要“赶晚集”?

1月3日,嫦娥四号成功踏足月球背面,让中国航天又一次创造了人类首次。

图片 6嫦娥四号成功发射。中新社记者 孙自法 摄

■不仅仅是为等天亮

不过,它从2018年12月12日进入环月轨道至今,绕着月球飞了20多天才降落。许多网友表示不解:既然“起大早”,为啥要“赶晚集”?

中国探月工程官方微信表示,2018年12月8日2时23分,嫦娥四号探测器发射升空,2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器成功软着陆在月球背面预选区域。嫦娥三号自发射到着陆月球用了13天,而嫦娥四号用了26天,这其中的科学原理基于三个方面:

有专家解释,嫦娥四号要等着陆区天亮。月球整体光照情况显示,嫦娥四号进入月球轨道时,它的预定着陆区南极艾肯盆地一带正在进入夜晚。黑灯瞎火降落,万一摔跟头怎么办?由于一个月夜相当于地球上的14天,所以它多飞一阵,等到落区太阳高照时降落,当然更加稳妥。但北京航天飞行控制中心轨道专家组组长刘勇告诉科技日报记者,其原因不仅于此,还跟嫦娥四号的入轨倾角与落区位置有关。

不仅仅是为等天亮

一是嫦娥四号需要等待月昼充能量。月球自转的周期是28天,为了让探测器落到月球上就能得到充分的太阳光开展工作,因此就必须要让它在月球着陆区的白天着陆。而嫦娥四号近月制动之后,运行的轨道面到着陆区上方的时候正好是着陆区的晚上,因此嫦娥四号要持续绕月飞行一段时间,才能赶在月背的白天实施着陆。

刘勇说,嫦娥四号进入环月轨道时,其轨道面与地月连线基本垂直,而它的首选着陆点——位于艾特肯盆地中部的冯·卡门撞击坑,经度在180度左右。这意味着当时嫦娥四号的轨道并不经过落点,其间有大约270度的偏差。这需要通过月球自转,花费20多天逐渐弥补。

有专家解释,嫦娥四号要等着陆区天亮。月球整体光照情况显示,嫦娥四号进入月球轨道时,它的预定着陆区南极艾肯盆地一带正在进入夜晚。黑灯瞎火降落,万一摔跟头怎么办?由于一个月夜相当于地球上的14天,所以它多飞一阵,等到落区太阳高照时降落,当然更加稳妥。

二是嫦娥四号发射窗口限制多。为获取最大的运载能力,嫦娥四号的发射窗口要考虑很多约束条件,使其与日、地、月的相对关系满足任务需求。例如,奔月轨道需要调整近月点经度和飞行时间,让环月轨道临近着月点上空,为登月创造条件;奔月飞行过程中,要考虑太阳能帆板的受晒问题,要求太阳光入射方向与太阳帆板之间的夹角保持在一定范围内。此外在飞行和着陆过程中,还要考虑连续测控问题。其形成发射机会的交集只在2018年12月8日和9日各有2次,正所谓“过了这村就没这店”。

有网友发问:既然要等,干嘛不推迟半个月发射?这就涉及到发射窗口问题。记者了解到,嫦娥四号的发射时间可不是随便选择的,要考虑很多约束条件,使它与日、地(包括地面点和近地轨道)、月(包括着月点)的相对关系满足任务需求。例如,奔月轨道需要调整近月点经度和飞行时间,让环月轨道临近着月点上空,为登月创造条件;奔月飞行过程中,要考虑太阳能帆板的受晒问题,要求太阳光入射方向与太阳帆板之间的夹角保持在一定范围内。此外在飞行和着陆过程中,还要考虑连续测控问题。这些约束条件有的决定发射月份,有的决定要在哪天、几点发射。嫦娥四号要在月背着陆,各种约束关系特别复杂,其形成发射机会的交集只在12月8日和9日各有2次,加起来也只有几分钟。正所谓“过了这村就没这店”。

但北京航天飞行控制中心轨道专家组组长刘勇告诉科技日报记者,其原因不仅于此,还跟嫦娥四号的入轨倾角与落区位置有关。

图片 7嫦娥四号着陆器与巡视器成功分离 玉兔二号顺利驶抵月背。中新社发 中国国家航天局供图

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刘勇说,嫦娥四号进入环月轨道时,其轨道面与地月连线基本垂直,而它的首选着陆点——位于艾特肯盆地中部的冯·卡门撞击坑,经度在180度左右。这意味着当时嫦娥四号的轨道并不经过落点,其间有大约270度的偏差。这需要通过月球自转,花费20多天逐渐弥补。

同时,嫦娥四号的工作需要“鹊桥”中继星的配合,对各自的发射时间给出了进一步的限制。因此,嫦娥四号之所以要在月球附近“等天亮”,很大程度上是由轨道与发射窗口的限制所决定的。

有网友发问:既然要等,干嘛不推迟半个月发射?这就涉及到发射窗口问题。

三是嫦娥四号需要在轨测试求精细。在这42万公里的行程中,嫦娥四号还要按需调整飞行速度和轨道机动参数,而且在接近月球的过程中,还会有相应的科研测试项目。嫦娥四号绕月期间一些设备需要开机进行测试,有足够的时间,才能让测试更完整,准备更充分。嫦娥四号进入环月轨道以来,进行了2次环月轨道修正,与“鹊桥”中继星进行了4次中继链路测试,开展了激光测距、三维成像、微波测距测速等导航敏感器在轨测试,为实施月球背面软着陆做好准备。

记者了解到,嫦娥四号的发射时间可不是随便选择的,要考虑很多约束条件,使它与日、地(包括地面点和近地轨道)、月的相对关系满足任务需求。例如,奔月轨道需要调整近月点经度和飞行时间,让环月轨道临近着月点上空,为登月创造条件;奔月飞行过程中,要考虑太阳能帆板的受晒问题,要求太阳光入射方向与太阳帆板之间的夹角保持在一定范围内。此外在飞行和着陆过程中,还要考虑连续测控问题。这些约束条件有的决定发射月份,有的决定要在哪天、几点发射。嫦娥四号要在月背着陆,各种约束关系特别复杂,其形成发射机会的交集只在12月8日和9日各有2次,加起来也只有几分钟。正所谓“过了这村就没这店”。

中继通信不像打电话那么简单

除了上述原因,嫦娥四号这段时间也不是“闲逛”。刘勇说,出于工程上的考虑,嫦娥四号绕月期间一些设备需要开机进行测试,有足够的时间,才能让测试更完整,准备更充分。科工局消息透露,嫦娥四号进入环月轨道以来,进行了2次环月轨道修正,与“鹊桥”中继星进行了4次中继链路测试,开展了激光测距、三维成像、微波测距测速等导航敏感器在轨测试,为实施月球背面软着陆做好准备。

其中,中继通信链路的建立是确保任务成功的关键之一。

记者从中国航天科技集团五院了解到,鹊桥中继星于2018年12月14日成功与嫦娥四号着陆器、巡视器组合体建立了前向/返向通信链路连接。前向链路指地面站将遥控指令发给鹊桥并转发给嫦娥四号;返向链路指嫦娥四号将数据通过鹊桥转发到地面。

这可不像我们平时打电话那么简单。五院嫦娥四号中继星总体主任设计师孙骥介绍,当时嫦娥四号运行在环月轨道,鹊桥运行在距地球约45万公里的地月拉格朗日2点Halo轨道上。为了确保它们之间通信链路的正常建立,鹊桥上配置的4.2米伞状抛物面天线必须时刻精确指向嫦娥四号的航迹。在保证姿态指向的前提下,通过开启两个飞行器上的各类通信设备,建立X频段的通信链路。

嫦娥四号和鹊桥分别在各自的轨道上高速运行,因此通信链路的维持是个动态过程。孙骥说,要保证通信链路平稳可靠,要求鹊桥像诸葛亮一样,对嫦娥四号下一步的位置神机妙算,并保证自己的姿态准确地指向那里。鹊桥的伞状抛物面天线波束角极小,一个细微的姿态扰动,就会让通信链路出现“卡顿”。这对鹊桥要求十分苛刻,既要“算得准”,更要“指得准”。

(付毅飞 科技日报北京1月3日电)