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刚发射的“嫦娥四号”亮点何在?它有哪些江苏元素?

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“5、4、3、2、1,点火!”12月8日凌晨,在西昌卫星发射中心,指挥员发出铿锵有力的口令,发射控制台操作手迅速按下了红色点火按钮,在橘红色烈焰的映衬下,随着一声巨响,“嫦娥四号”在长征三号乙改进型运载火箭的托举下壮丽升空,开启了人类史上第一次对月球背面南极艾特肯盆地的陆巡视探测,实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。“从没去过”的月球背面到底有哪些“小秘密”?“嫦娥四号”的科技亮点在哪里?它有哪些江苏元素?记者联系南京航空航天大学进行了采访。

关心天文的读者对于“嫦娥”系列探测器并不陌生,包括“嫦娥三号”在内的多个探测器,均已成功登陆月球正面。但月球的背面一直是“未开垦的处女地”,南京航空航天大学航天学院闻新教授告诉记者,最早看到月球背面的人类是美国“阿波罗8号”的航天员,但那也只是呆在航天器里的“擦身而过”,远远的看了一眼,并没有真正踏上月球背面的“土地”。苏联科学家在1960年出版了月球背面的地图。此次中国发射“嫦娥四号”,探索月球背面未竟之地,是中国航天历史性的“第一次”,在世界上也是首次。

嫦娥四号与嫦娥三号一样,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,要探索的是“地理环境”更加复杂的月球背面,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。

“嫦娥四号”要完成哪些“登月小作业”?

闻新告诉记者,“嫦娥四号”在月球背面登陆后,要完成的“登月小作业”可不少。首先,月球背面因为长期被太阳照射,因此太阳辐射量和月球正面显然不是一个“数量级”。如果“嫦娥四号”能够成功收集月球背面的太阳辐射量,以及残留在月球上的太阳粒子含量,会对人类未来建设月球基地更有帮助。其次,“嫦娥四号”携带了一个“月面微型生态圈”登月,它将探索在月球背面真空、微重力、极端温差的条件下,“生态圈”里的植物种子和动物卵等,会有怎样的生长规律,为人类将来在外星球的生存积累知识。

第三,“嫦娥四号”还有一个重要任务便是探索“太空能源”。“月球氦3”就是其中一种。科学家发现,月球的岩石样本中,含有储量惊人的清洁能源氦3,该物质可以与氘一同参与核聚变反应堆反应,释放出大量能量。如果太空中有足够的清洁能源,人类未来的“月球开发”将会前景一大步。

“嫦娥四号”探测器为什么选择在黑夜发射?闻新教授告诉记者,航天器的发射时间相当有讲究。地球的昼夜交替是源于地球自转与太阳直射,“黑夜”对于人类意味着伸手不见五指,但在清晨时,在地平线之上的太空里,其实依然明亮。航天器在黑夜跟随着火箭升空,一离开地球后,它就能呈现出“光环效果”,太阳直射的亮光反射到航天器上,科研工作者的光学望远镜就能够迅速检测到航天器的动态,“捕捉”航天器的踪迹会更加方便。

“嫦娥四号”用的超声电机是“南航制造”

“嫦娥四号”的背后不仅有南航人的身影,更有南航科研成果的助力。记者了解到,在“嫦娥四号”探测器上面,有一个用于光谱仪驱动与控制的超声电机TRUM-30A,正是来自南航赵淳生院士团队。

超声电机是一种新型的微电机,在精密仪器仪表、航空航天、智能机器人等领域有着广泛的应用前景。与传统电机相比,具有响应快、精度高、噪声小、无电磁干扰等优点。此次使用在“嫦娥四号”上的超声电机,更是赵淳生院士团队经过上百次实验后特制的产品。不仅“体积”迷你,比鸡蛋还小,而且相当“能吃苦”,对于月球背面的复杂环境都可以做到尽可能适应。

“月球背面的工作环境肯定比地球复杂得多。”赵淳生院士告诉记者,团队在研发超声电机时,遇到的最大难题便是月球上的复合环境:气压低、空气密度小,还有难以想象的超低温。为了让超声电机提前适应,他们在南航机械结构力学及控制国家重点实验室模拟出了月球表面的空气密度,用于探月超声电机在真空环境的工作情况。

“将气压降低一个数量级十分不易,实验室需要对超声电机模拟低温,高温,绝热等多组实验。”赵淳生介绍,研发团队的专家们为探月超声电机做过包括机械特性试验、寿命试验、月尘试验等各种试验100多次,如今,超声电机的工作环境已经验证了-120℃至180℃,已几乎满足月球上一切可能的复合环境。

如何为超声电机“减肥”,也是团队面临的另一大考验。登月探测器肯定不能“笨重”,如何在保持“苗条身材”的同时,让探测器上的每一个零部件都发挥最大功效,赵淳生团队动足了脑筋。“南航此次研制的这台超声电机重量仅46克,是同等传统电机重量的1/10,直径仅约30毫米。”赵淳生院士告诉记者,探测器升空的重量控制得很严,也要尽量节约能源,因此,研究团队想尽一切办法给超声电机“瘦身”,他们自主研发的这款超声电机,每分钟的转速只有40转,这样缓慢的转速,只需要一级行星减速器,驱动简单,对电流的响应也很快,响应时间只有1-30毫秒,关断响应时间只有1-0.1毫秒。

跟着“嫦娥四号”登月,超声电机可以发挥怎样的功用?赵淳生举了个例子:此前超声电机TRUM-30A已成功应用在嫦娥三号探测器上,负责红外成像光谱仪内定标板的驱动与控制。“光谱仪”俨然是“嫦娥四号”带上月球的一架高清“单反相机”,有了它,月球车可以通过高光谱分辨率获取月球物体高光谱图像,拍下画质更为清晰的“月球表面”,为精确识别月球表面的特征信息和物质分类提供服务。而超声电机在其中就起到了“按快门的手指头”的作用,是其中的一个重要“关节”。

“嫦娥”航天“双帅”都是南航人

在嫦娥四号和嫦娥系列的背后,有两位老少“双帅”,一位是年过七旬的中科院院士、嫦娥系列各型号及火星探测器总指挥、总设计师顾问叶培建,一位是“70后”航天总师、嫦娥三号、四号探测器和火星探测器总设计师孙泽洲。

叶培建,是人们口中的“嫦娥之父”,也是南航航天学院新一任院长。2004年,我国月球探测计划的第一步,绕月探测工程正式启动。这是继美、俄、日、欧洲之后,第5个月球探测计划。面对一个从未探索过的领域,嫦娥任务之艰巨、责任之重大可想而知。没有成熟的经验可借鉴,没有充分的数据参考,没有试验星,整个工程是一项巨大的挑战。叶培建带领的团队平均年龄不到30岁,用3年时间稳打稳扎,先后攻克了一系列技术难题,最终完成了嫦娥一号卫星的研制。

嫦娥一号发射成功后,叶培建本来可以继续干嫦娥三号任务。但他把年轻人送到舞台中央。2008年,年仅38岁的孙泽洲被选为嫦娥三号探测器系统总设计师。孙泽洲也是南航88级校友,1992年,从南航毕业的孙泽洲进入中国航天科技集团五院,20年间,先后参与多个型号卫星的研制任务;2004年任嫦娥一号卫星副总设计师;2008年任嫦娥三号探测器总设计师;现任嫦娥四号探测器总设计师、火星探测器总设计师。

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