国家航天局吴艳华:嫦娥四号探测器成功着陆月球
分类:技术文章

钟杰介绍,地形地貌相机分辨率为400万像素,主要由相机箱体、光学镜头和电子学组件等部分构成,安装在着陆器顶端的相机指向机构上。当“嫦娥四号”在月球表面实现软着陆并完成两器分离后,相机指向机构进行展开,此时地形地貌相机距月球表面2.5米。

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“主要性能基本一致。”除此之外,钟杰表示,前者是单目相机,安装于着陆器上,扮演着“踞点”的角色;后者双目,从结构到1.5米的离地高度都是要尽可能模拟人眼观察效果,并会带着人类的好奇心前往巡视区探索,如哨兵一般,在到达预设位置后,还要“回眸”,与地形地貌相机“对视”。

第三类探测主要是关于月球的物质成分,这次有多台科学载荷将对月球背面的物质成分进行探测。因为过去从来没有人做过,我想这些探索对于人类来说都是第一次,最后都会有原创性的成果,而这些成果将在国内外产生重大的影响。

■本报记者 张楠

记者:嫦娥四号的著陆器和巡视器安装了哪些照相机,是如何成像的?

地形地貌相机能够随云台做偏航360度和俯仰±60度的二维转动,可以获得月球背面着陆区360度高分辨率全景图像。地形地貌相机另一个重要的科学任务,是跟踪拍摄巡视器的状态。通过这一抹“深情”注视,能够获取巡视器图像,是对巡视器最直观的观测。

吴艳华:首先,月球背面软着陆要面对通信问题,实现地月通信,中继是个必要的条件。去年发射的“鹊桥”地月中继星,拥有比地球轨道中继卫星3万多公里远得多的作用距离,可以帮助我们成功构建地月的信息交互。

2009年“嫦娥三号”地形地貌相机立项时,钟杰还是光电所助理研究员,十年走来,他认为自己与团队一起,收获了丰富的人生经历。“嫦娥地形地貌相机就像是光电所在深空领域的发令枪,随着项目的进展,各团队成员的岗位职责在变化,能力也在增强。”

记者:中国是世界上第一个在月球正面与背面均成功完成探测器软着陆的国家。请问着陆月球背面难在哪里?是如何解决这些困难和挑战的?

看清月亮背面是个“技术活”
——来自地形地貌相机的“深情注视”

玉兔二号巡视器全景相机对嫦娥四号着陆器成像实现多个创新 开展三类科学探测

日前,我国“嫦娥四号”完成了人类首次月球背面软着陆和巡视探测,中科院光电所副研究员钟杰告诉《中国科学报》, “嫦娥四号”地形地貌相机与“嫦娥三号”面临不同挑战,这次是首次从月表拍下月球背面的地貌。

图为嫦娥四号着陆器拍摄的著陆点南侧月球背面图像中国探月工程实现“五战五捷”

钟杰认为,此次任务比较大的一个挑战在于,2013年完成“嫦娥三号”任务后,科研人员投入到各个不同的科研项目中,时隔4年重新启动,人员、物资、设备都要从“战备”状态重新进入“战斗”状态,“体能”“战术”都经历了调整。“但好在新团队成员中有七八成都是4年前的合作伙伴,所以磨合期很短,三四个月团队就进入稳定状态。严慎细实的工作作风,也在团队内部得到秉承。”

吴艳华:香港理工大学参与了着陆区地形地貌的分析,采用降落相机图像、地形地貌相机图像进行了着陆点定位,并分析周围地形遮挡情况。同时也参与了地形地貌相机指向机构的研制,用于相机对着陆点附近拍照以及对巡视器拍照。这些研究成果为嫦娥四号探测器安全软着陆和地形地貌的获取提供了支持。

相机的图像传感器对环境要求较严格,温度过高会导致信噪比降低,影响图像品质。然而,月球表面热环境恶劣,月球赤道日下点附近温度可以达到120℃以上。记者了解到,“嫦娥四号”地形地貌相机经过热控后的工作温度为-40℃~55℃。在科研人员努力下,地形地貌相机在70℃的高温实验中性能不下降,电子噪声出现微小增加。同时为了更好地完成科学任务,在“嫦娥四号”执行任务中,地形地貌相机工作一段时间后将择机进行“避暑”。

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除此之外,地形地貌相机还需应对深空宇宙射线辐射、剧烈的振动和冲击等力学环境。在“嫦娥四号”任务中,地形地貌相机对探测器的各种响应特性参数进行了分析和试验摸底,开展了彩色定标、平场定标和绝对辐射定标;针对月平面以上为全黑背景的场景特征,进行了自动曝光算法设计。

吴艳华:嫦娥四号探测器上共装有十多台相机,着陆器上装有降落相机、监视相机等,巡视器上装有导航相机、全景相机和避障相机等,其中有彩色相机,也有黑白相机,分别服务于不同相机功能。对于全景成像和地形地貌成像,采用彩色相机,对于导航相机和避障相机,采用全色相机。举个例子,监视相机的主要作用就是监视两器释放分离的过程,导航相机主要目的是获取巡视器周围的影像,然后通过双目成像在地面进行三维恢复,为路径规划提供依据。

《中国科学报》 (2019-01-25 第4版 综合)更多阅读嫦娥四号背后的“嫦娥女神”嫦娥四号完成人类首次月面生物实验登陆月球背面的背后支撑

本文发表于《紫荆》杂志2019年2月号

那么,有效载荷地形地貌相机与有效载荷全景相机在科学任务上有何不同?

1月3日,中国嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面的预选着陆区,实现了人类探测器首次月球背面软着陆,并传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。中国因此成为世界上第一个在月球正面与背面均成功完成探测器软着陆的国家。联合国外空司司长迪皮蓬表示:嫦娥四号任务标志着空间探索历史上一个令人难以置信的里程碑,这不仅是中国取得的巨大成功,也是国际航天界迈出的一大步。为此,本刊记者就探月工程嫦娥四号任务的有关情况采访了中国国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华先生。

第一类探测主要是关于着陆区的地形地貌。过去我们都是通过遥感,从几十公里甚至几百公里的轨道上探测大概的地形地貌,而这次我们是身临其境,大家可以从网上看到部分地形图像。同时通过这次巡视勘查,将获得月球背面第一张地质剖面图,深达100米,体现月球地质构造、分层,有助于我们首次开展对月球背面地质的起源、形成,以及月球年龄的相关研究。

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记者:经过约38万公里26天的飞行,嫦娥四号探测器于1月3日自主着陆在月球背面,并传回了人类探测器在月球背面拍摄的第一张图片。请您介绍一下此次探月工程的情况。为何此次探月工程选择了探测月球背面?

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第二类探测主要是关于月球周围的空间环境,包括宇宙辐射、太阳辐射、太阳耀斑的爆发对月球空间的影响。

另外,除了这4台国外载荷,我们在嫦娥四号上,还配置了9台中国自主研制的科学载荷。中国国家航天局愿意同各国航天机构、科研院所,以及空间探测爱好者分享这些载荷所获取的科学数据。针对这些载荷数据具体发布程序,中国国家航天局发布了《月球与深空探测工程科学数据管理办法》。

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“两器互拍”指的是著陆器和巡视器是相互拍照成像的,着陆器对着巡视器成像,巡视器对着陆器成像。而著陆器360度环拍,则类似于着陆器的自拍,主要是靠着陆器顶部的地形地貌相机以及相机指向机构,通过机构的不断运转和调整来帮助成像。

吴艳华:中国探月工程到2020年前将实现“绕、落、回”三步走目标。中国政府从启动探月工程以来,按照“绕、落、回”三步走实施。最后的“回”是以今年年底左右,嫦娥五号到月球正面取样回来作为标准,最终完成三步走。中国首次火星探测任务将于2020年前后实施。

1月11日8时,嫦娥四号着陆器、玉兔二号巡视器和“鹊桥”中继星状态稳定,各项工作按计划实施。着陆器上配置的地形地貌相机完成了环拍,科研人员根据“鹊桥”中继星传回的数据,制作了清晰的环拍影像图。图为嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图

图为着陆器监视相机拍摄的玉兔二号在A点影像图攻克技术难题实现月球背面安全软着陆

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责编:莫洁莹、赵珊

选择去月球背面探测有两方面的考虑。从科学角度来讲,第一,月球的背面,尤其是这次选择的著陆区是最古老的一个撞击坑,它的地质构造以及矿物的组成,可能对于月球的历史更具有代表性;第二,月球背面有个天然的屏障,能够屏蔽地球的电磁波,是开展月基的低频射电天文观测的有利场所,这是由月球背面得天独厚的地理位置和条件决定的。另外,从工程方面考虑,此前人类探测月球,更多集中在月球正面,而现在,我和我的同行们都希望能进行全月球的探测。所以这次开展了月球背面探测,未来可能还要开展月球极区的探测。这些考虑和设计,代表着我们在月球上可以获得更多原来没有获得的数据,便于我们将来更好地了解月球。

嫦娥四号着陆器地形地貌相机对玉兔二号巡视器成像与各国共享科学数据

记者:未来中国的探月工程和深空探测还有哪些计划与构想?

吴艳华:坚持对外开放合作是中国航天的一贯宗旨。中国国家航天局在嫦娥四号任务的论证过程当中,高度重视航天国际合作与交流,我们也希望给国际同行和科学家们提供开展月球探测的机会。 2015年4月,中国国家航天局正式向国际社会征集搭载载荷,一共收集到10多个国家近20台搭载申请建议。经过遴选,我们最终确定德国、瑞典、荷兰和沙特四国的载荷,分别搭载在嫦娥四号着陆器、巡视器、中继卫星和龙江号微卫星上。针对这些载荷,中国将与相关研制单位一起组建国际科学家团队,共同开展对这些载荷所获取数据的科学研究工作。

其次,月球背面的复杂地形对着陆和巡视也是巨大挑战。对于着陆而言,由于月球背面十分崎岖,要实现安全软着陆,需要具备两个条件。一个是软着陆的高精度,只有提高着陆精度,才可能在一块地形比较崎岖的区域里找到相对安全、合适的著陆点。为了确保动力下降初始点的位置精度,我们结合地面精确的测轨,研究制定了精细化的轨道设计和轨道调整策略。另一个是下降过程中的精确控制,我们通过提高自身导航及制导精度,实现了更加精确的控制,着陆器在着陆过程中进行自主避障,有效地避免可能遇到的障碍,在着陆区里选择最为安全的地点作为着陆点。从着陆过程的遥测信息,以及降落相机拍摄的图像中可以看出,动力下降的过程中实现了有效避障。最终,嫦娥四号探测器达到这两个条件,实现了预期的著陆精度,也实现了定点定时的准确着陆。

图为嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图

吴艳华:此次任务实现了多个方面的创新:首次实现月球背面软着陆与巡视探测,首次实现月球背面与地球的中继测控通信,首次实现在月球背面着陆器和月球轨道微卫星的甚低频科学探测。此外,运载火箭多窗口、窄宽度发射和入轨精度达到国际先进水平,进行了超地月距离的激光测距技术试验,在月面开展了生物科普展示,开展了国际合作载荷搭载和联合探测。

中国国家航天局也正在组织国内专家对后续规划进行论证,基本明确还有三次任务。嫦娥六号计划在月球南极进行采样返回,具体是月球背面还是正面,要根据嫦娥五号的采样情况来决定。嫦娥七号计划在月球南极对月球的地形地貌、物质成分、空间环境进行一次综合探测。嫦娥八号除了继续进行科学探测试验以外,还要开展一些关键技术的月面试验。中国、美国、俄罗斯和欧洲等国家都在论证在月球建立一个科研站的可能性,我们将通过嫦娥八号验证部分技术,为以后各国共同构建月球科研设施做一些前期探索。

图为嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图

我们愿在平等互利、和平利用、包容发展的基础上,同国际社会一道,携手推进世界航天事业发展,为推动构建人类命运共同体、促进人类文明和社会进步,贡献更多的中国智慧、中国创造、中国力量!

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另外,嫦娥四号任务的顺利实施也凝聚着诸多参与国的贡献。嫦娥四号配置了13台载荷,其中包括与德国、瑞典、荷兰、沙特合作的4台科学载荷,还搭载了龙江号环月微卫星。中国在南美建设的阿根廷深空站参加了测控任务,与俄罗斯合作的同位素热源将保障嫦娥四号探测器安全度过月夜,与欧空局在深空测控方面相互支持。中美双方也开展了积极合作,利用正在月球轨道上运行的美国月球观测卫星对嫦娥四号探测器进行观测,开展科学研究。

吴艳华:探月工程嫦娥四号任务由两次发射任务组成,一是2018年5月21日在西昌卫星发射中心由长征四号丙运载火箭成功发射“鹊桥”中继卫星,并围绕地月拉格朗日L2点稳定运行,实现了地球与月球背面的测控及中继通信。二是2018年12月8日由长征三号乙运载火箭发射嫦娥四号探测器,探测器于今年1月3日成功落月,顺利实现着陆器与巡视器分离、巡视器月面行走,传回世界第一张近距离拍摄月背影像图,实现了世界首次月球背面软着陆和巡视探测。 1月11日,嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器在“鹊桥”中继星支持下顺利完成互拍,地面接收图像清晰完好,中外科学载荷探测数据正常下传,着陆器、巡视器、中继星状态良好,达到既定工程目标,工程任务转入科学探测阶段,嫦娥四号任务取得圆满成功。至此,中国探月工程实现了“五战五捷”。

记者:此次嫦娥四号任务搭载了与德国、瑞典、荷兰、沙特合作的多个国外研制的科学载荷,请问这些科学载荷获取的数据是否向国际社会开放?

中国国家航天局还愿意与国际同行开展在对地观测卫星、通信广播卫星和空间科学卫星等方面的合作。

记者:据报道,香港理工大学也参与了嫦娥四号的科研工作,请您介绍一下香港理工大学的科研团队在此次探月工程中贡献了哪些研究成果?这些研究成果起到了什么作用?

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在决策探测月球背面的过程中,也体现了中国科技人员勇于探索的精神。我们过去一直在赶超国际先进水平,赶的东西多,超的东西少。这次月球背面探测,中国人做得很好。

编辑:史帅、李倩妍、周琦

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文 | 本刊记者 庄蕾

中国国家航天局欢迎各国同行参与中国后续的探月工程和深空探测工程,包括联合研制、载荷搭载、共同开展科学研究等多种方式,特别是即将启动的在月球南极着陆任务,我们将向国际社会提供载荷搭载机会。另外,我们在轨运行的“鹊桥”中继卫星,后续还有三到五年的寿命,欢迎国际社会利用我们的中继卫星继续开展科学研究工作。

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记者:继嫦娥三号圆满完成任务后,嫦娥四号被赋予了新的任务。请问嫦娥四号实现了哪些突破?

探测器着陆后,通过着陆区周围地形地貌的成像可以看到,月背表面地形的起伏是很剧烈的,布满了很多大小不同的撞击坑。对于巡视器来讲,在这样复杂的地形上进行巡视,具有很大的难度。我们主要从两方面来解决这个问题。第一,精细地规划,通过对巡视器感知的图像进行精确的地面恢复,制定更为合理的行走路线,力争找到一些相对安全的区域。第二,充分发挥巡视器在行走中自主避障的能力,使其自主进行新的路径规划。另外,巡视器对跃障和爬坡也有比较强的适应能力。

1月11日8时,嫦娥四号着陆器、玉兔二号巡视器和“鹊桥”中继星状态稳定,各项工作按计划实施。着陆器上配置的地形地貌相机完成了环拍,科研人员根据“鹊桥”中继星传回的数据,制作了清晰的环拍影像图。2020年前将实现“绕、落、回”三步走目标

吴艳华:嫦娥四号工程转入科学探测阶段,主要有三大类的科学探索内容。

记者:目前嫦娥四号工程转入科学探测阶段,请问后续将开展哪些科学探测?

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