“嫦娥”里的“上海神器”

2019-01-30陈冰

新民周刊 2019年4期

陈冰

嫦娥四号是世界首颗在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，它由着陆器、巡视器，以及“鹊桥”中继卫星组成。在整个任务中，中国航天科技集团八院，也就是上海航天承担了着陆器与巡视器上五个半分系统的研制。上海制造的强大基因，助力嫦娥四号成功开启人类首次月背探测之旅。

多项关键技术上海提供

嫦娥四号最初是作为嫦娥三号任务的备份星而与嫦娥三号同时研制的。

嫦娥四号担负着艰巨的使命——它将实现人类首次月球背面软着陆和巡视勘察。为此，上海航天承担了嫦娥四号着陆器与巡视器上28台设备的研制。为了满足任务的需求，研发人员在原有备份星的基础上，对部分设备的结构和性能进行了改进。

由于嫦娥四号的首选着陆区为月球南极艾特肯盆地，那里地形崎岖，撞击坑大而且分布密集，这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了很高的要求。再加上着陆区在月球背面，着陆器和巡视器无法同地球直接通信，只能通过中继星进行上下行操作，这就使得通信时延大大增加。

针对这些难点，设计团队为巡视器定义了感知、移动、探测、休眠等七种工作模式，同时提高其适应地形的能力、通过极限的能力，以及自主工作的能力。

即使有意外发生，也能够把这个意外自主处理掉。

因为嫦娥四号首次落到月球背面，这使得探测器与地球的直接通信信号受到月球遮挡，必须通过“鹊桥”中继星进行信号中转。因此与嫦娥三号相比，嫦娥四号巡视器测控数传分系统不仅要承担与着陆器的数据通信的功能，还要执行与中继星进行遥测和数据传输的任务。

嫦娥四号数传分系统单机主管师黄波说，因为中继星毕竟受体积或者质量的限制，发射功率没有办法那么大，只能靠提高灵敏度来完成任务，因此嫦娥四号数传分系统的灵敏性比嫦娥三号提高了一倍以上。

一个月夜相当于地球上14天，同时月夜最低温度可达到零下180度。为了让嫦娥四号在月球上安全过夜，研制人员开发了休眠唤醒功能。当月夜降临时，巡视器会为自己找好栖身之所开始休眠。一直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上，将其唤醒，再开启又一次勘测。

嫦娥四号电源分系统技术负责人徐泽锋说，在嫦娥四号上采用的太阳电池，它的发电效率已经达到了30.84% ，比原来的功率增加了3个百分点。在极端温度下还是能够可靠地恢复整个能源的供给，因此嫦娥四号既能够轻松地休息好，又能够有效地获取太阳能。

为登月装上“激光眼”

毫无疑问，嫦娥四号此次着陆区域的条件更为复杂、地形起伏变化更剧烈，仅艾特肯地区较为平坦，找到合适的登陆点难度陡然提升。能否顺利实现“艾特肯登陆”，中科院上海技术物理研究所和中科院上海光机所合作研制的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器发挥了至关重要的作用。

激光测距敏感器是着陆器上最早开机的设备之一，在嫦娥四号飞入月球表面15公里轨道以后，全程测量着陆器与月面的距离，为着陆器姿轨控分系统提供从动力下降段至软着陆段的高精度测距数据。激光测距敏感器的工作原理是通过向月面发射激光光脉冲，测量月面回波脉冲信号与激光发射脉冲信号的时间间隔，以此获得着陆器相对于月面的精确距离。

由于嫦娥四号着陆区域较嫦娥三号地形条件更为复杂，地形起伏变化更剧烈，月面反射率差异较大，导致对激光三维成像敏感器的环境适应性提出了更高的要求。

嫦娥四号激光测距敏感器的主任设计师程鹏飞介绍，由远距离测距光束开始提供距离月面的斜距信息，在着陆器距月面高度约8公里时，着陆器姿态发生角度调整，激光测距敏感器根据指令切换至近距离测距光束工作。在着陆器的姿态调整过程中远距离、近距离测距波束始终具备同时测距功能，从而不断完成动力下降阶段对嫦娥四号着陆姿态的控制，辅助她以“最佳姿态”稳稳落月。

解决了嫦娥四号降落高度的问题，还要处理“落在哪儿”的难题。激光三维成像敏感器就成了她的“眼睛”——带她避开陡峭的陨石坑和大石块，确定安全着陆区。

最终的落月过程从约15公里的高度开始，全程约700秒。在距离月面100米高度时，嫦娥四号会短暂悬停，通过激光三维成像敏感器获取月面着陆区域的三维图像，将月球表面的坑识别出来，并通过计算分析选择适合安全软着陆的区域。距离月面最后几米，发动机关机，嫦娥四号在重力作用下着陆月球表面。

嫦娥四号的激光三维成像敏感器原先作为嫦娥三号的备份产品，早在2013年9月就完成了生产研制，产品贮存期间，课题组定期对产品健康状态进行详查，并保障产品贮存环境，保证产品性能指标稳定，安全可靠。由于嫦娥四号着陆区域较嫦娥三号地形条件更为复杂，地形起伏变化更剧烈，月面反射率差异较大，导致对激光三维成像敏感器的环境适应性提出了更高的要求。

“激光三维成像敏感器能在250毫秒内成像，着陆器在1秒内分析三维图像数据并选取安全着陆区。在悬停的过程中，它一共有三次做出判断的机会。”激光三维成像敏感器主管设计师李铭说，“激光三维图像高程精度优于5厘米，相比地球上的智能驾驶激光雷达还要精准。”

造访“新地标”，不“拍”个够怎么行？顺利抵达月球背面后，中科院上海技物所的“神器”——红外成像光谱仪开始大显身手。它具备可见近红外波段的光谱成像和短波红外谱段的光谱探测功能，在月球車的辅助下可以获取月表指定位置的精细光谱信息。

正如每个人的指纹和虹膜千差万别，月球物质成分所呈现的光谱特性也不一样，可以帮助科学家识别月面巡视区矿物成分。“和嫦娥三号相比，嫦娥四号巡视器红外成像光谱仪单次获取月表光谱信息的时间周期由25分钟缩短了一半，提升了仪器效率，也提高了仪器的定量化水平。”红外成像光谱仪主任设计师李春来介绍。

巡视器与着陆器分离抵达指定科学考察点后，红外成像光谱仪会择机工作。探测模式下，仪器开机并获取科学数据；而定标模式则是利用太阳作为定标源，将定标漫射板置于定标位置时，监测仪器状态。李春来介绍，红外成像光谱仪重不到6公斤，在工作时能适应-20至+55摄氏度的温度环境，是一台高性能、轻小型、高集成的仪器。其综合性能处于国际先进水平。

太空通信站中继星“鹊桥”就位以后，上海65米口径的天马望远镜与北京密云站、云南昆明站、乌鲁木齐南山站的射电望远镜携手组成甚长基线干涉测量（VLBI）网——其测量精度或测量分辨率等效于口径3000多公里的“超级望远镜”。它们共同为嫦娥四号探测器和中继星测轨定位，为其“导航”，确保她能顺利抵达月球预定轨道，并安全软着陆月球背面。

“我们通过接收卫星信号、宇宙射电源互相交叉观测的校准，并对电离层等误差予以修正，可以精准定位其空间位置。”嫦娥四号VLBI测轨分系统总指挥洪晓瑜介绍。从射电望远镜接收数据，到位于佘山科技园的指挥中心处理、计算出结果，只需不到1分钟——比嫦娥一号、二号时的速率提升了十多倍！

给嫦娥准备多套衣服

在漫漫的奔月征程、落月冒险，以及之后的月球“做客”中，科研人员给嫦娥四号准备了多套“衣服”，确保它能够应付各种不同的状况。其中，出自上海硅酸盐所的“衣服”就有10多件。他们针对嫦娥四号不同“身体”部位的需求，或不同“皮肤”的特性，采用不同的“剪裁”、不同的“布料”，最终确保嫦娥四号能够像一只恒温动物一样，不管外界环境如何冷热剧烈变幻，“身体内”始终保持在一个适合生存的温度区间，也保证自己能够自如地做出各种动作。

这些“衣服”与温度的控制息息相关。白天的嫦娥四号，太阳光直射下的表面温度高达100oC，热控涂层可有效反射太阳光，并向外辐射吸收的热量，从而保证“身体”温度正常。而在嫦娥四号不同的部位，热控涂层的性能也各有差异。例如在月球车上的柔性薄膜热控涂层则更加注重“防晒”能力，而金光灿灿的低温多层隔热组件就像是一层“铠甲”包裹着暴露于太空中的仪器，使其无畏白天100℃ 、夜晚-200℃的温度剧变。因为它可以双向隔热，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。

在嫦娥四号特殊的位置还有专用“工作衣”，“穿”在着陆器7500N变推力发动机外的高温隔热屏，像“裙子”一样包围着发动机喷管。在发动机和喷管点火时，这件厚度仅为1厘米的 “高温衣”正面在800～1400℃高温气流冲刷下，能保证其背面的温度不超过100℃，实现发动机高温边界与探测器本体的热隔离。

月球车的帆板打开与收缩，对真空低温条件下帆板的骨架金属材料是一种严苛的考验。如果没有耐摩擦抗冷焊涂层，金属杆在低温下就像是被焊接一样粘在一起。有了这件“运动衣”，月球车相当于做好了“热身运动”，确保不会在运动中受伤。

从中国第一颗卫星开始，上海有机所的有机热控涂层就一直没有缺席中国的航天工程。由于有机热控涂层施工工艺简单，可用于金属或非金属底材，具有良好的附着性能，有的品种可室温固化，因此在航天器热控制领域得到了广泛的应用。在嫦娥四号上，“黑白套装”当仁不让地占据一席之地。“白色外衣”穿在嫦娥四号外表，其热吸收率低，而反射率高，减少太阳光照射的影响；“黑色内衣”穿在嫦娥四号内壁，其热吸收率高、反射率也高，确保内部维持在一个合适的温度。