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望远镜和太空任务

望远镜和太空任务

(礼貌:中国探月计划)
03 Jul 2019
取自2019年7月号 物理世界。物理研究所的会员可以享受完整的期刊 通过 物理世界 应用程式.

直到今年早些时候,一个名为“ Chang娥四号”的中国着陆器在该地区降落之前,月球的远端仍然是一块未被触及的领土。 凌欣 考察对我们了解地球最近邻居的后果

1959年10月,当苏联太空船Luna 3返回月球远端的第一张图像时,科学家震惊地看到一个与预期的世界截然不同的世界。这些照片虽然斑驳且模糊不清,但在月球的近侧(经潮汐锁定面向地球的那一侧)中,几乎没有大的,平坦的,黑暗的广阔空间。取而代之的是,以前隐藏的另一端被证明是密密麻麻的山峰和撞击坑。然而,在《露娜3号》的开创性旅程之后的六十年里,此后的每个月球着陆–到2018年底,已经降落了27枚–在不久的将来降落了。远侧已经通过航天器进行了研究,但对于载人和无人飞行任务来说,仍然是一个尚未探索和神秘的领域。

但是直到那年年初,中国探测器Chang'e-4于2019年1月3日在月球最富科学区之一的南极艾特肯盆地的VonKármán火山口着陆。该盆地直径约2500公里,是月球上最大,最古老的撞击坑,据认为是由穿透月球地壳的碰撞形成的。该盆地甚至可能露出月球幔的一部分,从而使科学家能够直接窥视月球内部。

与中国神话中的登月女神共享名字后,the娥号登月任务于2007年随着the娥一号月球轨道器的发射而开始。三年后,又推出了类似设计的Chang'e-2探测器。这样就证明了它具有到达月球并绕月球运行的技术能力,中国的下一个目标就是在月球上着陆。这是在2013年12月,Chang娥三号成功降落在近端时实现的。 原位 在四十年来对月球表面的测量中,伴随的小型漫游车由于短路而关闭前仅走了100 m,这意味着它无法执行命令。

Chang’e-4 lander

’娥四号原本是作为Chang娥三号的后援而设计的,但在那次任务大获成功后,它又重新定位了其雄心勃勃的意图,成为第一个登陆月球远端的任务。 '娥四号于2018年12月7日发射升空,由一个着陆器组成,该着陆器包含四台仪器-两台相机,一个低频无线电接收器和一个中子探测器-以及一台载有相机,雷达,光谱仪和粒子分析仪。为了帮助任务控制员与遥远的着陆器进行通信,该着陆器不在地球的视线范围内,中继卫星Queqiao于2018年5月发射(见方框)。

到2019年5月11日,Chang娥四号着陆器和漫游者已经在冯卡门火山口完成了他们的冒险活动的第五个阴历日(一个阴历日为29个地球日)。那时,任务组产生了大约7 GB的数据,科学家现在开始分析和发布第一批结果。当流动站当天晚上完成工作时,它已经完成了三个月的设计寿命,并在月球表面行驶了将近200 m,这引发了officials娥三号流动站出现问题后官员的广泛解脱。

e桥的故事–月球的门户

Queqiao lunar satellite

当2015年初,DFH卫星公司北京分公司的工程师张丽华被问及是否想为中国即将进行的Chang娥四号飞行任务设计通信卫星时,他的第一反应就是激动。但是他很快意识到,制造这样的手工艺品将是巨大的挑战。张已经成功开发了几颗先前的卫星,但是它们都绕地球旋转。

由于从地球看不到月球的远端,因此在将数据中继到月球着陆器和流动站时,卫星至关重要。但是,在Chang娥四号之前,没有航天器试图降落在月球的另一侧,因此需要从零开始设计卫星。年轻而富有冒险精神的张勇接受挑战,他的团队在激烈的竞争中赢得了2015年6月的合同。

张所面临的最大问题是卫星的放置位置。在研究了文献之后,Zhang和他的团队发现了一种特别有吸引力的可能性:Earth-Moon Lagrange Point2或L2。月球后面空间中的这个虚拟的重力平衡点提供了理想的选择,因为卫星可以通过绕L的“晕轮”看到两个地球2 –和月球的另一面,从而使两者之间的数据传输更加容易。

这种选择最初是由航空工程师Robert Farquhar在1960年代后期在斯坦福大学的博士学位论文中提出的。法库哈尔(Farquhar)在美国宇航局(NASA)的23年职业生涯中成为轨道轨迹的先驱,但令他失望的是,该航天局认为在月球另一侧进行飞行任务冒险。

Farquhar的提议对Zhang感兴趣,但实施该提议将是另一回事。他的团队需要找出最省时,最节能的方式来到达并停留在该轨道上。这涉及考虑到太阳的影响,因为一旦进入轨道,卫星将必须定期经历完全黑暗和低至–230°C的极端温度的周期。

另一个主要挑战是设计一种通信天线,以在着陆器和流动站与地球上大约十二个地面站之间接收和中继信号。由于卫星可能与可能的着陆点相距79,000公里,因此天线必须尽可能大。但是它也必须轻巧且易于部署。经过几个月的工作,Zhang的团队研发出了直径4.2 m的伞形天线,这是有史以来在深空探测中使用过的最大天线。

经过30个月的发展,中继卫星于2018年5月21日从西昌卫星发射中心起飞。到6月14日,它已进入计划的轨道,并被中国“网民”赋予了新的绰号:Qu桥。这个名字取自中国神话,象征着喜birds鸟架起的桥,用以重聚天上的恋人。 “两件事超出了我们的预期,”张说。 “天线是我们最大的关注,但是我们开发了一种新颖的指向控制方法,并且在轨校准显示指向精度要远远高于设计阈值。另一个是通过精确控制,我们所需的轨道校正比最初的想象要少。”因此,Qu桥能够节省一些燃料,这意味着它现在可以运行长达十年-远远超过其三年的设计寿命。

Farquhar于2015年访问了中国,在那里他了解到2 该设计最终将由Chang'e-4任务实施,显然很高兴听到这一消息。可悲的是,法夸尔于同年10月去世,享年83岁。他从未见过这种轨道设计将如何成为现实,并因此开启了月球探索和科学的新篇章。

承担地幔

关于月球的一个长期难题是其地幔的组成-行星体内的一层,其下方由核心构成,上方则由地壳界定。研究表明,月球的地壳由一种称为斜长石的矿物主导。我们知道下面的地幔富含铁和镁,但其组成有些未知。更好地了解远端地幔将提供对行星内部和岩浆海洋形成的见解,并回答诸如月球壳为何在远端比在近端更厚的问题。

在Chang娥四号之前,研究人员仅使用绕过我们最近的邻居的卫星获得了月球远端的间接测量结果。传统的想法是,诸如冯卡门(VonKármán)之类的火山口在形成后不久就会被玄武岩熔岩流淹没,因此不会轻易获得有关地幔的信息。 ’娥四号在南极艾特肯盆地的位置现在为我们提供了第一个机会,通过执行 原位 地球化学测量。随着the娥四号漫游车的漫游,它的可见和近红外成像光谱仪正在检查岩石的矿物学,而探月雷达在俯视地表以下约100 m时探测岩石的深度。覆盖坚硬岩石的松散物料。它还在寻找地下结构。

今年五月,研究人员报告了Chang娥四号(性质 569 378)。在分析了农历初一时收集到的物质的光谱后,他们已经识别出看起来与近侧不同的信号。在近侧,月球表面主要由斜长石和形成钙的低钙硅酸盐矿物组成,称为辉石。但是Chang娥四号发现它的另一端是由橄榄石-硅酸镁铁-以及辉石组成。科学家认为,这两种物质均来自月球上地幔,尤其是橄榄石,并得出结论,它们是在附近大型芬森火山口形成期间从盆地底部挖出的,然后运至目前的to娥四号位于。

法国图卢兹天体物理与行星科学研究所的月球地质学家帕特里克·派恩特(Patrick Pinet)指出,这些发现尽管是初步的,但“非常令人兴奋”。他说:“如果可以确定我们确实在观测月球地幔材料,那么对在月球这一地区建立一个样品返回任务将非常重要。” “任务已经取得了惊人的成功,我预测在未来几年中,它将被认为是月球探索中非凡的里程碑。”

但是,伦敦大学学院的行星科学家伊恩·克劳福德(Ian Crawford)说,需要从着陆点分析更多样品以确认结果,尤其是地幔中橄榄石的含量。他补充说:“关于将深层地壳和/或地幔物质可能从附近的芬森陨石坑混入the娥四号着陆点的说法是合理的,” “而且,邻苯二酚在光谱中的优势本身令人信服并且令人感兴趣。”

如果Chang娥四号在陨石坑中做进一步的测量可以确认地幔物质的存在,那将是将来向该地区进行样品返回任务的完美理由。这是因为目前可以通过地球上的碳测年技术对材料进行更精确的测量。的确,中国已经在计划下一次登月冒险活动,其中将包括两次返航任务。首先是Chang娥五号,计划于2019年12月发射。如果它成功降落在月球的近侧,它将标志着40年来的首次月球样品返回,并旨在收集2千克物质,到达地面以下2 m。同时,Chang娥六号将在2023年或2024年发射时瞄准南极艾特肯盆地,尽管其收集的物质的数量和数量的细节将部分取决于C娥五号的成功。

Netherlands–China Low-frequency Explorer

走向黑暗时代

但是Chang娥四号不仅仅是研究月球本身的另一面。这是因为该地区还是进行低频无线电观测的理想之地(请参阅第23页的“捍卫月球景观”)。月球上没有大气层,在月球的后面几乎没有来自地球的无线电干扰。确实,对于中国科学院国家天文台的射电天文学家陈林杰来说,自Chang娥四号降落以来的最后几个月一直很忙。当中国的超低频射电天文学处于起步阶段时,陈获得了荷兰的博士学位。但是,在荷兰-中国低频探索器(NCLE)上工作时,他的培训和联系一直很关键,该系统将于7月底部署在qiao桥中继卫星上。

一个主要目标是检测早期宇宙中被称为宇宙“黑暗时代”的氢中的无线电辐射。这是第一批恒星诞生之前的时代,因此,为了更好地理解它,科学家需要研究早期宇宙中发出21厘米波长辐射的氢。尽管这种辐射仍然存在,但宇宙的膨胀意味着它现在的波长约为几米,这使其很容易被地球的电离层反射。

为了尝试检测这种辐射,NCLE由三个5 m天线组成,以绘制1–80 MHz的无线电天空。它还将与Chang娥四号着陆器上的低频光谱仪进行联合观测,以形成原型地球-月球-空间超长基线实验。这将旨在研究太阳爆发,空间天气事件和近月低频无线电环境。

NCLE的首席研究员,荷兰奈梅亨的Radboud大学的Marc Klein Wolt对NCLE的实验性质持谨慎态度。他说:“尽管我们正在尝试从非常早期的宇宙中测量非常微弱的信号,但卫星本身将发出可能难以消除的噪声信号。” “但是,如果我们成功了,我们将为在月球上或附近的大型无线电设施铺平道路,这将使我们能够在黑暗中追踪氢。”

现在都在一起了

’娥四号与以往的Chang娥飞行任务不同的一个特点是来自中国以外的国家的参与。除了荷兰人参与NCLE之外,还有另外两个由欧洲人主导的有效载荷与Chang'e-4一起骑行。其中一项是德国领导的月球着陆器中子学和剂量学实验,它将测量月球远侧的辐射剂量,以帮助为人类将来可能进行的月球探索做准备。另一个是由瑞典人领导的’娥四号漫游者中性高级小型小型分析仪,它研究了太阳风如何与月球上的水生产有关。

’娥四号与以前的Chang娥飞行任务不同的一个特点是来自中国以外的国家的参与

中国科学院国家空间科学中心主任王驰表示:“ C娥四号是中欧空间科学家首次在如此广泛和深入的层面上开展合作。” '娥四号飞行任务的总工程师。实际上,中欧之间的讨论始于两年前,最近成立了一个联合的月球研究小组来协调未来的工作。 4月,中国国家航天局(CSNA)发出了为e娥六号提供有效载荷的呼吁。它的轨道器和着陆器都将保留10千克有效载荷,这些载荷是从中国大学,私人公司和外国研究机构的研究人员的建议中选择的。 Wang补充说:“该电话无障碍地向所有国家开放。”

但是,这一呼吁对于美国科学家来说可能是一个挑战。尽管NASA的“月球侦察轨道器”在1月份与CNSA进行了短暂的合作,并发布了Chang娥四号着陆点的照片,但被联邦政府资助的NASA科学家被禁止与中国开展太空活动合作。就Chang娥四号而言,美国宇航局必须事先征得国会的许可。根据美国乔治华盛顿大学的太空政策专家约翰·洛格斯登(John Logsdon)的说法,这很可能是一次性行动,而不是要求改变政策。

然后,对月球另一端感兴趣的美国研究人员可能不得不独自行事。美国圣母大学的克莱夫·尼尔(Clive Neal)说,月球地质学家已经向美国宇航局提交了三个独立的建议书,要求从流域(称为“月升”(MoonRise))进行样品返回任务,以了解它的年龄。但是每次,美国国家航空航天局都认为批准它过于冒险。尼尔补充说,Chang娥四号的成功降落表明这种任务在技术上是可行的,而中国着陆器的科学发现现在为未来美国宇航局向远方的任务提供了有力的支持。

不过,就目前而言,世界在月球的另一端只有一艘飞船,科学家将焦急地等待the娥四号飞行任务产生更多的结果,尤其是其新投产的射电天文学有效载荷以及对月球幔。确实,美国布朗大学的行星地质学家Jim Head甚至将Jim娥四号的任务与16世纪的中国小说进行了比较 西游记 –一位传奇的唐朝僧侣朝圣,他前往中亚和印度,通过许多个人苦难获得了神圣的佛教文字。他说:“ Chang娥四号之旅的信息从根本上来说是有意义的。” “他们激励我们从该地区寻找样本,以进行进一步的研究和解释。”

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