|
中國嫦娥四號(hào)科研團(tuán)隊(duì)于本周在《自然-通訊》發(fā)表一篇題為《Descent trajectory reconstruction and landing site positioning of Chang’E-4 on the lunar farside》論文，精確定位了“嫦娥四號(hào)”的著陸位置，并對(duì)“嫦娥四號(hào)”的落月過程進(jìn)行了重構(gòu)。今年1月，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功登陸月球背面，開啟人類歷史上的首次月背之旅。嫦娥四號(hào)著陸過程中經(jīng)歷了一段驚險(xiǎn)的避障飛行，多次調(diào)整姿態(tài)和軌跡，才確定最終著陸點(diǎn)。依據(jù)嫦娥四號(hào)回傳的影像等資料，科學(xué)家重構(gòu)了嫦娥四號(hào)的著陸過程，并精確定位了嫦娥四號(hào)的著陸位置。
嫦娥四號(hào)精確著陸位置首次公開
2019年1月3日，經(jīng)過20多天的地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行，嫦娥四號(hào)探測(cè)器最終在月球背面的馮·卡門撞擊坑內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)軟著陸。整個(gè)著陸過程沒有來自地球的無線測(cè)控和遙測(cè)數(shù)據(jù)，全部依靠自主控制。這使得嫦娥四號(hào)的著陸軌跡很難確定。但可以通過基于著陸圖像的定位技術(shù)得到解決。降落相機(jī)在嫦娥四號(hào)降落期間開機(jī)，為不同時(shí)段、不同高度的降落區(qū)域拍攝了多張高頻序列圖像，完整記錄了嫦娥四號(hào)的著陸過程。在嫦娥四號(hào)成功著陸后，這些圖像通過鵲橋號(hào)中繼衛(wèi)星傳回地球。依據(jù)其中的180張圖像、玉兔二號(hào)導(dǎo)航相機(jī)拍攝的圖像及此前嫦娥二號(hào)數(shù)字高程模型和正射影像圖積累的地形數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)精確定位了嫦娥四號(hào)的著陸位置：月球東經(jīng)177.5991°，南緯45.4446°，高程為負(fù)5935米。
這些圖像數(shù)據(jù)的成像方式不同，分辨率也有所差異。研究團(tuán)隊(duì)解決了不同圖像的聯(lián)合處理問題，得以實(shí)現(xiàn)著陸位置的精確定位。
基于著陸圖像重構(gòu)嫦娥四號(hào)著陸軌跡
嫦娥四號(hào)整個(gè)動(dòng)力下降階段具體包括主制動(dòng)段、姿態(tài)調(diào)整段、垂直下降段、懸停和避險(xiǎn)段、緩慢下降段五個(gè)階段。著陸精度要求很高，一旦失誤就將“失之毫厘謬以千里”。嫦娥四號(hào)的7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力下降階段的有效減速提供了關(guān)鍵支撐。基于姿態(tài)調(diào)整階段后的垂直姿態(tài)序列圖像，研究團(tuán)隊(duì)利用攝影測(cè)量光束平差技術(shù)，重構(gòu)了嫦娥四號(hào)的著陸軌跡。
重構(gòu)軌跡顯示，嫦娥四號(hào)到達(dá)距離月面5635米的高度時(shí)，以85米/秒的速度垂直下降，逐漸接近著陸區(qū)。向4130米的高度降落時(shí)，嫦娥四號(hào)向北移動(dòng)77米，穿過了一個(gè)直徑約為200米的撞擊坑。到達(dá)4130米的高度后，它減速至51米/秒，并繼續(xù)調(diào)整軌跡。下降到1495米的高度時(shí)，嫦娥四號(hào)的軌跡開始向西北方向調(diào)整。西北面有一些直徑約為70-100米的小撞擊坑，整體地勢(shì)比較平坦。期間，嫦娥四號(hào)向西北方向移動(dòng)了44米，下降到距離月面99米的高度。此時(shí)，嫦娥四號(hào)進(jìn)入懸停和避險(xiǎn)狀態(tài)。為了越過障礙，大約13秒后，嫦娥四號(hào)向西南方向移動(dòng)了12米，穿過直徑為25米的撞擊坑。距離月面30米時(shí)，嫦娥四號(hào)緩慢垂直下降，最終安全著陸。整個(gè)降落過程持續(xù)了大約12分鐘。
最終著陸點(diǎn)被五個(gè)撞擊坑所包圍
2013年，中國首個(gè)無人月球探測(cè)器嫦娥三號(hào)成功登陸月球。與嫦娥三號(hào)形成明顯區(qū)別的是，嫦娥四號(hào)的著陸過程要曲折得多。嫦娥三號(hào)的著陸點(diǎn)位于月球正面的雨海盆地北部，最低點(diǎn)飛行軌跡約長450公里。這一路的地形相對(duì)平緩，最大高程變化約為800米。嫦娥四號(hào)最低點(diǎn)飛行軌跡同樣約長450公里，但是著陸區(qū)域在月球最大、最古老的的環(huán)形山南極-艾特肯盆地內(nèi)，地形起伏相當(dāng)劇烈。它先后飛過了高地中的凹坑、凹坑中的高地，期間的最大高程變化約為6000米。
在距離月面8-6公里的高度范圍內(nèi)，嫦娥四號(hào)進(jìn)行了快速的姿態(tài)調(diào)整，并校正了飛行偏差，確保安全著陸。研究結(jié)果證實(shí)，嫦娥四號(hào)最終是在一個(gè)退化撞擊坑的緩坡上著陸。北邊有一個(gè)直徑為25米的撞擊坑，嫦娥四號(hào)距其邊緣僅8.35米。同時(shí)，嫦娥四號(hào)還被五個(gè)直徑約為10-25米、深度約為1-3米的撞擊坑所包圍。
如今，嫦娥四號(hào)的著陸地點(diǎn)已被命名為“天河基地”。9月23日，嫦娥四號(hào)和玉兔二號(hào)安全度過了長達(dá)14天的月夜極低溫環(huán)境，成功自主“喚醒”，開始進(jìn)入第十個(gè)月晝工作期。論文稱，著陸軌跡等研究結(jié)果將為研究月球背面的控制點(diǎn)、高精度月球測(cè)繪以及隨后的月球探測(cè)提供測(cè)量數(shù)據(jù)，也為將來航天器在太陽系內(nèi)的自主著陸(比如在小行星表面著陸)提供了參考依據(jù)。
|
