时光荏苒,今年(2019年)初嫦娥四号成功着陆月球背面的捷报仿佛还在昨天,一转眼9个多月过去了。在过去的9个多月里,嫦娥四号项目组的科学家可忙坏了:跟踪各个探测器的健康状况、安排各个探测器的工作内容、规划玉兔二号的行进路线、接收和分析探测器传回的各种科学数据……到如今,对最早一批传回的探测数据的分析已经陆续开花结果。
比如,国际科学期刊《自然》(Nature)5月16日在线发布了中国科学院国家天文台为首的李春来等科学家的文章,为揭示上月幔物质组成的科学难题带来了新的线索。此后,中国地质大学(武汉)为首的胡晓依等科学家、中科院遥感所和澳门科技大学为首的芶盛等科学家也各自发表了论文,根据玉兔二号的光谱探测数据对着陆区一带的矿物成分做出了进一步分析和探讨。
近日(2019年9月24日),《自然·通讯》杂志在线发表了以中国科学院国家天文台、中国科学院大学为首的刘建军等科学家对嫦娥四号落月过程的重建结果。
地球上的我们,要如何知道远在太空的探测器某个时刻的位置、速度、姿态等运动状态?通常来说有三种方法。理论上来说,这三种方法都可以帮助我们回溯嫦娥四号着陆器的降落过程。
1) 跟踪无线电信号:地球上的基站通过接收探测器发出的无线电信号,就可以反推探测器的位置和速度,追踪探测器的运动状态。2) 接收遥测信号:探测器可以自力更生,也就是通过自己携带的设备测量出自己的运动信息,比如高度、加速度、姿态等等,这些信息作为遥测信号,可以直接发送给地球基站,或者通过鹊桥卫星的中继,发回地球基站。
3)通过降落相机拍摄的影像回溯:嫦娥四号着陆器底部安装了一台降落相机(LCAM),随着嫦娥四号在降落过程中不断靠近月球表面,降落相机也在不断拍照——根据照片图幅的大小、角度变化和拍摄到的特征地貌,再与已有的月球地图做对比和匹配,就可以反推嫦娥四号在降落过程中各个阶段的位置和角度,也可以大致推测着陆点所在的位置了。这正是科学家精确重建嫦娥四号降落轨迹实际采用的主要方法。
嫦娥四号的计划降落策略和嫦娥三号一样,自主着陆的嫦娥四号整个动力下降过程也分为6个阶段:主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。也和嫦娥三号一样,嫦娥四号继续使用7500N变推力发动机来完成动力下降阶段的减速和航迹调整。然而,虽然同样是要着陆在月球表面,降落过程中在月面上的航迹也都是450公里左右,但由于目的地的地形差异,嫦娥三号和嫦娥四号采取的降落策略就大大不同了。
嫦娥三号的着陆区是月球正面平坦的雨海内部,整个降落航迹下的地形起伏不超过800米,而嫦娥四号的计划着陆区虽然本身是位于相对平坦的冯·卡门撞击坑内部,但冯·卡门撞击坑整体是位于月球背面崎岖的南极-艾特肯盆地内部的,整个降落航迹下的地形起伏高达6公里。这意味着嫦娥四号可选择的着陆范围更小,而且它必须落得非常准——一旦偏了一点,就可能落不进平坦的预定着陆区,而是撞上崎岖的高山低谷了。
因此,不同于嫦娥三号的抛物轨迹下降策略,嫦娥四号选择进一步减小着陆位置的不确定性,从主减速段结束后就由斜向前运动轨迹改为近乎垂直下降轨迹,然后从接近段开始辅以水平方向的微调来越过危险的地形(避障),测距敏感器的引入时机也做了相应调整。
嫦娥四号的实际降落轨迹那嫦娥四号是不是按照预定的计划着陆的呢?降落相机告诉我们:是的!
2019年1月3日10时15分,随着北京航天飞行控制中心发出指令,嫦娥四号探测器从距离月面15公里处开始实施动力下降,7500N变推力发动机开机,逐步将探测器的速度从相对月面1.7公里/秒降到0。约690秒后,嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面冯·卡门撞击坑内的一片平坦区域。降落相机在整个动力下降阶段拍摄的视频清楚地表明,嫦娥四号完美执行了预定的着陆策略。
嫦娥四号的精确着陆点通过降落相机拍摄的距离月面越来越近的影像,对比已有的月面地图,我们可以一点一点缩小嫦娥四号最终着陆点的范围。从嫦娥四号着陆开始,众多科学家就在为确定着陆点位置而努力。
2019年1月3日,嫦娥四号顺利着陆当天,NASA月球勘测轨道飞行器LROC相机团队,就根据我国探月工程发布的降落相机影像中几个明显的撞击坑和已有的LROC NAC影像做了匹配,嫦娥四号最终着陆点就位于这四个撞击坑之内。
而在此几天前,中科院遥感所邸凯昌及其同事就已经借助嫦娥二号正射影像DOM、LROC NAC影像、嫦娥四号降落相机影像、嫦娥四号监视相机影像等多源数据,利用影像特征匹配定位和单像视觉测量定位技术,确定了嫦娥四号着陆点在LROC参考系下的精确位置为177.588°E, 45.457°S。这一结果还可以通过玉兔二号顶部的两个全景相机(PCAM)拍摄的影像来互为验证。
嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车至今状态良好,还在继续它们的月背探险之旅。就在几天前,9月23日20时26分和22日20时30分,着陆器和月球车相继受光照成功自主“唤醒”,开始了第10个月昼的探测工作。