启动，月背科学探索——“嫦娥四号”关键科学载荷功能及研制亮点解读

文/郭倩

▲ 嫦娥四号着陆器

1月3日，“嫦娥四号”成功实现了月球背面软着陆。在月球这个不为人知的另一面，“嫦娥四号”将一一进行月基低频射电天文观测与研究、月球背面巡视区浅层结构探测与研究等，揭开月球背面的神秘面纱。

而实现这些目标的关键，就是“嫦娥四号”上的核心器件——探测器有效载荷。

填补低频射电观测之空白

由于受到地球电离层的干扰，在地球上难以开展频率低于10兆赫兹的射电天文观测，而在地球轨道甚至月球正面开展的空间射电天文观测，也受到地球电离层反射和人工无线电的干扰。

“月球背面屏蔽了地球的无线电干扰、闪电和极光无线电发射，月夜期间还屏蔽了强烈的太阳射电辐射，因此月球背面被认为是开展低频射电天文学观测的绝佳地点。”嫦娥四号探测器有效载荷分系统技术负责人薛长斌表示，欧空局的科学家已系统性地提出了在月球背面开展低频射电天文观测的计划（FARSIDE）。

“低频射电天文探测这一目标是天文学家梦寐以求的，可以填补射电天文领域上在低频观测段的空白。”中科院月球与深空探测总体部主任邹永廖说。

低频射电天文观测由两个载荷完成，一台在着陆器上，由中科院电子学研究所研制；一台在中继星“鹊桥”上，由中国与荷兰合作研制。

▲ 月表中子与辐射探测仪的传感头和电子单元

▲ 嫦娥四号月球车搭载的中性原子探测仪

中科院国家天文台研究员、国际载荷（中-荷）低频射电探测器中方首席专家平劲松介绍，从工作模式上，中国载荷通过太阳能通电，月背为白天时，中方载荷工作；夜晚时，中继星上的载荷进行工作。在探测目标上，中荷合作的载荷可以探测地球两极的射电爆发，中方载荷可以屏蔽地球与太阳的影响探测更远的目标。

想要实现低频射电观测这一目标并不容易。在这一个“首次”的光环背后，是一大批科学家、工程师千万次的尝试和探索。

低频射电探测器是非常敏感的设备，着陆器本底的辐射噪声信号也会对低频射电探测器产生影响，会对实现低频射电探测的科学目标带来风险。

经过研制团队长时间努力，通过采用增加一路短天线接收通道的措施，实现了国内首次在空间探测领域采用天线对消技术进行强本底噪声干扰抑制，实现了远场微弱低频射电信号测量。

另一方面，探测器有效载荷分系统的集成度很高，通过一台载荷电控箱实现了多台有效载荷的供配电、过程控制及数据处理，实现了具有故障隔离功能的高可靠紧耦合电子系统。

如今，成功落在月背的“嫦娥四号”开启了它的新使命。它在月球科学研究方面，将有望为人类带来新发现、新理论、新学说。

揭开月背自然环境之谜

宇宙辐射、太阳风在月球表面的环境到底是怎么回事？它们与月面物质相互作用的情况如何？包括月面物质成分的太空风化作用是怎么样的？

在深空中，宇宙粒子辐射无时无处不在，航天器的登陆会受到粒子的损伤和影响。嫦娥四号着陆器上还搭载着月表中子与辐射探测仪，它的核心目标是测量月球表面粒子基本辐射情况和危害程度。从更深远的角度来讲，这一举措将为月球的开发和载人登月作铺垫。

“从数据意义上来说，进行月表中子与辐射剂量测量尚属国际首次，将会提供宝贵的数据资源。”月表中子与辐射探测仪中方首席专家、中国科学院国家空间科学中心研究员张珅毅表示。

月表中子与辐射探测仪可以对日地间太阳风暴粒子加速机制进行研究，同时也可以从着陆的艾特肯盆地上，获得水资源等信息以及氧化铁含量。

“通过中子的测量来推断是否含有水资源是很重要的指标。我们可以在着陆点探测氢含量的多少，更近的观测将会获得更佳的数据。”张珅毅说。

中性原子探测仪是搭载在巡视器上的一台国际载荷，由瑞典空间物理所研制，中方参与设备的性能测试，负责交付中方后的相关测试工作，与瑞典方面共同开展科学研究工作。这台载荷主要对月表的中性原子进行测量。

中性原子探测仪中方首席专家张爱兵介绍，太阳风为带电粒子，由于月球没有大气和全球磁场，因此太阳风可直接打到月表。部分离子会被月表反射并变成中性原子，同时太阳风离子打在月表也会将月表物质成分溅射出来形成中性原子。

▲ 月表中子与辐射探测仪测试现场

“随着探测器的移动，月表的地形地貌和地方时不一样，太阳风与月表相互作用的结果也不一样。”张爱兵说。

中性原子探测仪将在国际上首次实现在月表探测中性原子，通过在月表进行近距离就位探测，获得精度更高的探测数据，帮助科学家进一步深入研究太阳风与月表的相互作用。

张爱兵介绍，有科学家认为太阳风氢离子可能与月表中的氧相结合形成水，这也是研究的内容之一。

中瑞双方航天合作由来已久。“我们与瑞典空间物理所合作起于中欧合作双星计划的探测二号中性原子成像仪，取得了很好的科学成果，双方合作顺利。之后在中国的火星探测计划中，双方再度合作研制了等离子体探测包。”张爱兵表示，本着开放合作的原则，双方将共享嫦娥四号科学数据开展科学研究，共同利用好科学数据。

除了国际合作，我国也正在研制国产的中性原子探测仪器，将用于火星探测任务中。