2019年1月3日上午10點(diǎn)26分，萬眾矚目的嫦娥四號(hào)穩(wěn)穩(wěn)地落在月球背面的馮•卡門撞擊坑。11時(shí)40分，嫦娥四號(hào)著陸器通過“鵲橋”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖，這是人類探測(cè)器首次在月球背面拍攝的圖片，揭開了古老月背的神秘面紗。15時(shí)7分，著陸器與巡視器開始分離，22時(shí)22分，玉兔二號(hào)巡視器駛抵月球表面。
▲嫦娥四號(hào)著陸器拍攝的著陸點(diǎn)南側(cè)月球背面圖像（圖片來源：國家航天局）
在本次嫦娥探月、玉兔巡視的過程中，激光技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇院士團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)研制的激光測(cè)距敏感器、激光三維成像敏感器，為本次“睜眼”落月的提供了重要支持，同為該團(tuán)隊(duì)研制的紅外成像光譜儀則將進(jìn)行后續(xù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)探測(cè)。那么，這三種技術(shù)是如何發(fā)揮作用的呢？
▲嫦娥四號(hào)探測(cè)器動(dòng)力下降過程示意圖（圖片來源：國家航天局）
激光測(cè)距技術(shù)：減速區(qū)與粗避障
當(dāng)落月指令下達(dá)后，嫦娥四號(hào)著陸器在距離月面15千米高度時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始減速并逐漸調(diào)整姿態(tài)，進(jìn)入著陸準(zhǔn)備階段。此時(shí)王建宇院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的激光測(cè)距敏感器開始工作。當(dāng)著陸器下降到距月面約8000米時(shí)，將在約2000米的距離內(nèi)快速調(diào)整著陸姿態(tài)，開始垂直下降。激光測(cè)距敏感器也將隨之切換測(cè)距方向，以使著陸器大致避開月球表面的障礙。
嫦娥四號(hào)攜帶的激光測(cè)距敏感器采用的是脈沖測(cè)距法，測(cè)距原理如下：激光測(cè)距敏感器每秒向月面發(fā)射兩次激光脈沖，當(dāng)發(fā)射的激光脈沖到達(dá)月球表面后，其反射回波脈沖信號(hào)又被敏感器接收。通過測(cè)量月面回波脈沖信號(hào)與激光發(fā)射脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔，計(jì)算出嫦娥四號(hào)著陸器與月球表面的精確距離（光速和往返時(shí)間的乘積的一半），誤差在0.2米內(nèi)。測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間。
激光三維成像技術(shù)：懸停之后精確避障
在激光測(cè)距敏感器的指引下，嫦娥四號(hào)著陸器逐漸接近月球表面。當(dāng)著陸器到達(dá)月面100米時(shí)，開始懸停，此時(shí)激光三維成像敏感器開始工作。激光三維成像敏感器在短短幾秒內(nèi)采集了月面的三維圖像，精確識(shí)別出高于15厘米的石頭或低于15厘米的坑，為著陸器鎖定安全的落腳點(diǎn)。最后，在“著陸緩沖機(jī)構(gòu)”的保護(hù)下，嫦娥四號(hào)穩(wěn)穩(wěn)地“飄落”在馮•卡門撞擊坑上。從指令下達(dá)到平穩(wěn)著陸，整個(gè)過程大約耗時(shí)10分鐘。
激光三維成像技術(shù)是激光雷達(dá)技術(shù)的一個(gè)重要分支，是以激光測(cè)距技術(shù)的基礎(chǔ)，結(jié)合圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)，利用照射激光脈沖從探測(cè)場(chǎng)景中收集反射輻射線最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體位置和外部細(xì)節(jié)的獲取。我國在幾個(gè)航天大國中較早地把激光三維成像技術(shù)用于月面著陸，目前應(yīng)用非常成熟。
紅外光譜技術(shù)：玉兔觀察月球的眼睛
在嫦娥“睜眼”落月后，玉兔“玩耍”的時(shí)光即將到來。1月3日晚間，玉兔二號(hào)巡視器順利抵達(dá)月球表面。玉兔身上攜帶了一個(gè)重量不到6千克的紅外成像光譜儀，這雙“眼睛”將隨著玉兔的腳步觀察月球，通過獲取精細(xì)光譜信息來識(shí)別月壤及月面巖石的成分。
▲著陸器地形地貌相機(jī)拍攝的玉兔二號(hào)在A點(diǎn)影像圖（圖片來源：國家航天局）
紅外光譜儀是利用物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的吸收特性，進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析的儀器。紅外光譜儀通常由光源，單色器，探測(cè)器和計(jì)算機(jī)處理信息系統(tǒng)組成。根據(jù)分光裝置的不同，分為色散型和干涉型。對(duì)色散型雙光路光學(xué)零位平衡紅外分光光度計(jì)而言，當(dāng)樣品吸收了一定頻率的紅外輻射后，分子的振動(dòng)能級(jí)發(fā)生躍遷，透過的光束中相應(yīng)頻率的光被減弱，造成參比光路與樣品光路相應(yīng)輻射的強(qiáng)度差，從而得到所測(cè)樣品的紅外光譜。
點(diǎn)評(píng)：
本次嫦娥四號(hào)的登月，對(duì)整個(gè)世界的航天研究有著重要意義，不僅在國際上首次實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸和巡視探測(cè)，還首次突破了地月拉格朗日L2點(diǎn)中繼通信與探測(cè)、實(shí)現(xiàn)低頻射電天文觀測(cè)與研究等一批重大關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“七大創(chuàng)新”，開啟了人類月球探測(cè)新篇章。
在本次任務(wù)中，我國科學(xué)家與荷蘭、德國、瑞典、沙特開展了4項(xiàng)科學(xué)載荷方面的國際合作，而激光測(cè)距敏感器的激光光源、探測(cè)器、高壓電源等核心元部件則均實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自研，并進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的集成化、輕量化程度。此外，自主研發(fā)的紅外成像光譜儀不僅集成了最新的遙感技術(shù)，還成功實(shí)現(xiàn)輕小型化，綜合性能優(yōu)于歐美同類產(chǎn)品。
探月工程自2004年啟動(dòng)以來取得一個(gè)又一個(gè)突破，對(duì)我國月球及深空探測(cè)乃至航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。實(shí)現(xiàn)人類首次在月球背面的軟著陸，象征著中國在航天技術(shù)能力方面的提升，也標(biāo)志著我國已經(jīng)進(jìn)入世界具有深空探測(cè)能力的國家行列。盡管在火星及其他星球的探測(cè)上我國技術(shù)積累尚有不足，但曙光已漸漸明朗。
|
中文版
ENGLISH
