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众多上海科研人员为嫦娥四号探测器新旅程保驾护航

2018-12-9 04:48:32

来源:解放日报 作者:黄海华 选稿:吴春伟

  昨天凌晨,嫦娥四号探测器开启了月球探测的新旅程。来自中科院上海技物所、中科院上海天文台、中科院上海硅酸盐所、中科院上海光机所、中科院上海有机化学所的科研人员为这次月球探测贡献出了“上海智慧”。

  该在哪里着落?

  上海技物所研制的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器,成为了“开路先锋”。

  “嫦娥三号着陆区较为平坦,着陆器在距月面3公里左右做90度的姿态调整,姿态调整后还可以一边平飞,一边降落,而嫦娥四号着陆区地势崎岖,着陆器在8公里左右就需要调整姿态,随后几乎是垂直下降,难度更大。”嫦娥四号激光测距敏感器主任设计师程鹏飞告诉记者,嫦娥四号相对嫦娥三号的最大变化是着陆地区变为月球背面,地形起伏较大,陨石坑多,只有预定着陆的艾特肯地区较为平坦。嫦娥四号激光测距敏感器的激光光源、探测器、高压电源等核心元部件均为国产自研,并进一步提高了系统的集成化、轻量化程度。尽管探测距离范围为15米至30公里,最远和最近的回波功率会发生千万量级变化,但激光测距敏感器的测距精度可以控制在0.2米以内。

  在距离月面80到120米时,着陆器会悬停,使用激光三维成像敏感器来获取月面区域的激光三维图像,再通过计算分析选择着陆区。“由于燃料的问题,我们一共只有三次机会寻找着落区,每一次都只有1秒时间,其中0.25秒用来获取图像,剩下的0.75秒完成判断。”嫦娥四号激光三维成像敏感器主管设计师李铭说。

  一支普通的激光笔,功率只有毫瓦,而嫦娥四号上由上海光机所研制的测距激光器是兆瓦量级。测距激光器在距离月面约30公里时,提供着陆器和月面的距离信息。此外,该所研制的三维成像敏感器激光器可以达到1秒钟5万次的高重复频率,在距离月面100米悬停时,瞬时对月面实施高精度三维成像,为着陆器避开障碍、选择精确的着陆点提供可靠依据。

  能调控温度的“外套”

  卫星的外壳经常涂着不同的颜色,这就像是给卫星穿上了能调控温度的“衣服”,嫦娥四号也穿着这样的神奇“外套”或“裙子”。

  航天器进入轨道后,处于地球大气层以外的超高真空空间环境,朝向太阳的表面温度非常热,而背向太阳的表面则非常冷。这就需要在航天器表面使用不同的太阳吸收率和热辐射率的涂层来调节其热平衡温度,这就是卫星的热控制。

  上海有机化学研究所是我国系统研制有机热控涂层的唯一单位。上海有机所邹永军高级工程师介绍,几代科研人员研制出了几十种不同用途的有机热控涂层,具有良好的附着性能,在嫦娥系列卫星上得到了广泛应用。

  与有机热控涂层不同,上海硅酸盐所提供的是无机热控涂层,为嫦娥四号从里到外量身定做了各式“衣服”。嫦娥四号受月球表面的昼夜温度变化影响,月夜温度最低时可达零下200℃,月昼最高超过150℃。而探头等单机运行温度一般为零下40℃到50℃左右,一旦超出正常的温度范围可能会造成单机的功能失效,甚至造成单机的损坏。上海硅酸盐所研制了低温多层隔热组件,可以双向隔热,外部高温时热量不会往里传,外部寒冷时里面热量也不会往外漏。目前,全世界只有两家机构可以提供这种柔性薄膜热控涂层。

  变推力发动机是嫦娥四号实现软着陆的关键部件。在距离月球15公里时,变推力发动机点火的瞬时温度高达1400度。上海硅酸盐所研制的高温隔热屏就像“裙子”一样将高温环境包围了起来,在发动机与周围的电子元器件形成了一道屏障,有效地减小了发动机工作对探测器本体的高温侵蚀。

  除了这些各种材质的“衣服”,对于月球车的轮子、全景相机和机械臂等非固定器件,就只能涂抹“防晒霜”了。上海硅酸盐所研制了低吸辐比微弧氧化热控涂层,将为巡视器在月面巡视勘察、机械臂的正常运转发挥重要的作用。

  有“二郎神”般的眼睛

  嫦娥四号与地面测控中心不仅相隔遥远的地月距离,而且还要隔着月球球体通信联系。由于信号无法穿透月球抵达其背面,这就需要中继卫星的帮助来实现数据传输。从今年5月21日中继卫星“鹊桥”发射之日起,我国的VLBI网就每日观测它,提供高精度观测数据,为确保中继星顺利飞抵目标轨道发挥了重要作用。我国的VLBI网数据处理中心就设在上海天文台。“执行嫦娥一号任务时,VLBI测轨分系统处理测轨数据需要10分钟,到了嫦娥三号缩短到了1分钟,这次嫦娥四号不仅可以每5秒钟打包数据一次,还能在30秒之内完成数据处理。”嫦娥四号VLBI测轨分系统总指挥洪晓瑜说。

  嫦娥四号着陆后,巡视器与着陆器分离后将到达指定科学考察点,上海技物所研制的红外成像光谱仪届时将择机工作。“红外成像光谱仪类似于一只眼睛,但它并不仅仅是看月表的几何形状,更能通过精细光谱来分析月表的物质成分,这有点像二郎神的眼睛。”上海技物所副所长舒嵘说。红外成像光谱仪是巡视器(月球车)上配备的科学探索有效载荷,在月球车的辅助下,它可以获取月表指定位置的精细光谱信息,每次会拍摄下几百张照片,为月面巡视区矿物组成分析提供科学探测数据。嫦娥四号红外成像光谱仪单次获取月表光谱信息的时间由之前的25分钟缩短了一半。

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