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嫦娥四号为什么选择在月球背面着陆
发布时间:2015-12-15  字号:
 

  说到月球背面,人们可能会第一时间想到电影里的秘密基地或者外星人飞碟基地等神秘传说。为什么月球背面会让人们产生这些联想呢?我想这大概是由于它运动性质特殊且又从来没有人类探测器踏足过吧。十分巧合的是,月球的自转周期恰好等于公转周期,都是27天7小时43分11.5秒,且方向相同,都是逆时针方向,因此月球总有一面永远朝向地球,而另一面背向月球。这种独特性给月球蒙上了一层神秘的面纱,也让人们遐想联翩。

  月球背面到底有没有这些神秘基地呢?从我国嫦娥二号卫星获得的全球7米分辨率、局部1.5米分辨率的月球影像图,以及美国LRO获得的0.5米分辨率月图来看,没有发现任何能够支持那些传说的证据。那么问题就来了,计划在月球背面着陆的嫦娥四号又是去干什么呢?

  这要从嫦娥四号的身世说起。嫦娥四号本来是嫦娥三号的备份,产品也随着嫦娥三号一同研制完毕。嫦娥三号在2013年12月14号成功着陆在月球雨海广寒宫区域紫微撞击坑东侧[1],玉兔号月球车随之开展了大量探测活动,取得了重要科学成果。比如,来自中国地质大学(武汉)的肖龙教授等人在《科学》杂志上发表了一篇关于月球局部浅层地质构造的论文[2],通过分析电磁波的反射信号,获得了月面之下深达400米的精细结构剖面;中国科学院地质与地球物理研究所林杨挺研究员带领的团队在美国国家科学院院刊上发表了一篇关于月球火山活动史的论文[3],通过测定月岩中含量稀少的元素,还原出了雨海地区的火山活动史。但毕竟月球表面的环境陌生而又复杂,小兔子蹦跶地太欢了,一不留神就受伤了。一时间,饱含深情的玉兔日记感动了很多中国人。

  嫦娥三号任务成功以后,嫦娥四号何去何从,成了科学家们一直在考虑的问题。

  首先是探哪儿?火星、金星、小行星、月球都是当前国际深空探测的热点。火星、金星都与月球差异太大,针对月球探测设计的嫦娥四号平台无法适应这些星球的环境;探测小行星,要对平台做很大改动,经济上又难以承受。掂量来掂量去,还是只能去月球。

  对于探测月球,目的地可分为三类,月球正面、两极和背面。

  到月球正面去的方案与嫦娥三号任务差不多,主要是增加着陆子样,更换少量科学载荷,在科学上获得更丰富的数据,该方案的创新性和亮点不够突出。

  月球南极是当前国际探测的热点,人们最关心的问题是南极撞击坑的永久阴影区内是否存在水冰,如果能搞清楚这一问题也非常有意义。美国Lunar-Flashlight(轨道器)、Lunar-IceCube(轨道器)、俄罗斯Lunar 25(Luna-Glob,着陆器)和Luna 27(Luna-Resurs,着陆器+巡视器)、欧空局Lunar South Pole Lander(着陆器)、印度的月船二号(轨道器+着陆器+巡视器)、日本的SLIM(着陆器)都计划在2020年前对月球极区进行探测。如果嫦娥四号也瞄准这一区域着陆,将与这些国家争夺先机。

  月球背面是人类探测器从未踏足的“处女地”。尽管美国和欧空局已经启动类似计划的评估,但我国已经有了大部分产品,基础更好、进展更快,有望率先实现人造探测器首次造访月球背面,社会效益很强。在科学方面,有望获得一批具有开创性的科学成果。首先,月球背面能够屏蔽地球上人类活动造成的无线电干扰、闪电和极光带来的无线电发射,因此被认为是开展低频射电天文学观测的绝佳地点。利用月球背面独特的无线电环境进行天文观测,将填补100KHz-1MHz频段的空白,有望获得宇宙“黑暗时代”方面的新认知。美国国家航空航天局的DARE(Dark Age Radio Explorer)任务、DALI(Dark Ages Lunar Interferometer)月球背面超长波探测阵列设想,中欧联合提出的DSL(Discovering the Sky at the Longest Wavelengths)任务设想等都是瞄准这一重大科学问题。此外,月球背面保存了最古老的月壳岩石,其斜长岩高地可能形成于月球岩浆洋的分异结晶,这是月球形成的两大学说之一,对其探测有望获取对月球早期演化历史的新认识。

  综合权衡科学价值、社会效应、技术难度等多种因素,科学家们选择了着陆月球背面并开展巡视勘察这一任务目标。同时为了解决与地面站的通信问题,增加了一颗地月平动点拉格朗日2点(Earth-Moon L2 point)中继卫星,而这也将是世界首次地月L2点中继通信。

  最后是为什么别人不探?这里要纠正一个概念是,不是别的国家不想探背面,而只是还没有探。

  首先谈谈为什么还没有探。在上个世纪六七十年代的第一轮探月高潮中,美国、苏联两强争霸,展开了激烈的空间竞赛,尽管苏联获得了多项第一,但皇冠上最耀眼的明珠——首次载人登月被美国夺去。在这种登月竞赛的大背景下,两国的无人软着陆和巡视任务地点都集中在月球正面,目的是为载人登月积累更多的数据;另一方面,实施背面软着陆的技术难度大、风险高,也超出了当时的技术能力。上世纪九十年代以后,欧空局、日本、中国、印度等国家纷纷加入了月球探测的行列,掀起了第二轮高潮。美国在月球探测方面的重头戏是宇航员重返月球计划,但后来被奥巴马政府调整为载人登陆火星;其无人探测任务则以小规模、常态化为特点,已经开展的5次探测均是环月飞行普查。俄罗斯在经历了较长时间的静寂期后,还需要Luna 25等任务来恢复其月球探测的实力;欧空局、日本、印度是新晋国家或组织,尚没有开展过月球软着陆,不太可能直接着陆月球背面。

  实际上各国还是想探月球背面的。欧空局也提出了类似的 FARSIDE任务概念,美国国家航空航天局提出了宇航员在地月L2点遥控月球背面软着陆和巡视探测的任务概念,以及月球背面机器人采样返回任务概念。这些概念尚处在评估和申请立项阶段。

  我国在月球探测方面取得嫦娥一号、二号、三号和再入返回飞行试验的四战四捷,并且已经有了嫦娥四号的大部分产品,具备了较好的条件和有利的形势。利用嫦娥四号开展月球背面着陆探测,实现具有极强创新性和引领性的任务,堪称既经济又实惠的上佳选择。来源:探月与航天工程中心,王琼
  
  参考文献

  1. http://planetarynames.wr.usgs.gov/Feature/15415

  2. Xiao L. et al (2015) A young multilayered terrane of the northern Mare Imbrium revealed by Chang'E-3 mission. Science 347: 1226-1229.

  3. Zhang J et al (2015) Volcanic History of the Imbrium Basin: A Close-up Lunar Rover Yutu. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112(17): 5342-5347.

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