揭秘嫦娥四号月背“盲降”:垂直降落 步步惊心

嫦娥四号在距离月面6公里的高度时调整至垂直下降,与嫦娥三号不同。

2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器成功在月球背面的南极-艾特肯盆地着陆,实现人类探测器首次在月球背面的软着陆,并通过“鹊桥号”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。

相较于嫦娥三号,嫦娥四号落月难度更大,主要因为月球背面这一特殊环境。中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁曾形容,嫦娥三号相当于在华北平原着陆,而嫦娥四号则是在崇山峻岭的云贵川地区着陆。

据中国航天科技集团有限公司五院502所嫦娥四号探测器GNC系统研制人员介绍,月球背面崎岖不平,嫦娥三号月球正面着陆区地形起伏仅800米,而嫦娥四号月球背面着陆区地形起伏达到了6000米。

而同样困难的是,落月过程地球方向不直接可见,所有信息传输都需要由中继星“鹊桥号”中转,无疑大大增加了落月任务的风险。因为整个落月过程由GNC系统自主操控,加之回传画面的延迟,所以对地面人员来说,整个过程近乎“盲降”。

嫦娥四号探测器示意图。国家航天局供图

月背 盲降

地形崎岖采取垂直降落

地形的崎岖使得原有近似嫦娥三号的飞行轨迹无法适用。在充分研究月面预定着陆区地形特点基础上,科研团队设计了适应新地形的落月轨迹方案。

1月3日,嫦娥四号经历了惊心动魄的“盲降”历程。

3日10时15分,科技人员在北京航天飞行控制中心发出指令,嫦娥四号从距离月面15公里处开始实施动力下降,7500N变推力发动机开机,逐步将探测器的速度从相对月球1.7公里每秒降到零。在距离月面6～8公里处,探测器进行快速姿态调整,不断接近月球。距月面100米处,为保证落地时每只脚都不踩到石头上或坑里,嫦娥四号稍稍悬停,对障碍物和坡度进行识别,找好理想着陆点,缓缓降落。

约690秒后,嫦娥四号自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯?卡门撞击坑内。落月过程中,降落相机拍摄了多张着陆区域影像图。

据502所科技人员介绍,嫦娥四号在距离月面6公里的高度时调整至垂直下降。这个垂直下降动作,就是与嫦娥三号最大的不同,因为着陆区太崎岖,如果水平方向持续移动,就会让着陆器不能准确测量所处的高度。

整个过程中,地面人员都通过“鹊桥号”中继星观看了“直播”。

完美 着陆

主副腿配合缓冲巨大冲击力

嫦娥四号发回的首张月球背面影像图。这是嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的着陆点南侧月球背面图像,巡视器将朝此方向驶向月球表面。

国家航天局供图

规避 风险

探测器自我诊断与重构

研制人员也考虑了盲降的风险,尤其是如果下降过程中,“鹊桥号”的信息传输“卡住”,影响数据上传,怎么办?

为此,GNC系统设计了延时数据注入功能,就是提前把要发送给着陆器计算机的数据发送到着陆器上暂存,这个数据包是带有时间标签的,待到着陆器上的时间和该标签相同时,数据便自动注入。如此,“鹊桥号”的实时数据注入,就成为了备份手段。

系统还可以全程自主进行故障诊断与重构,万一发生故障,系统可以随时自己给自己进行“诊断”,找到病灶并解决。通过着陆器各部分功能的优化、再组合,着陆器可以确保机体整体功能正常,实施落月。

嫦娥四号的四条腿学名为“着陆缓冲机构”,能够利用缓冲功能,将着陆瞬间所产生的冲击有效地吸收,防止巨大冲击力对探测器及其重要仪器设备造成损伤。

为了确保良好的缓冲作用,设计和制造人员在研制过程中想尽办法,在探测器的“腿“里配备了两个秘密武器。

首先是“大脚掌”。着陆器的“脚掌”是与月球表面直接接触的部位,被设计成盆状,盆状结构可以更好地防止着陆月面时倾倒。其外观简单,但金属表面的内部构造却十分的复杂,经历了千万次试验,上万件材料的筛选,才敲定了最终工艺方案。其次是主腿和副腿配合的结构。着陆器的每条着陆腿都包含一个主腿和两个副腿,各有分工。在着陆前,副腿推着主腿向外侧展开到规定角度并锁定,主腿负责在着陆时支撑住着陆器,将冲击力传递、吸收,是着陆器主要的支撑结构。副腿也会辅助主腿缓冲巨大的冲击力,使落月更稳定、安全。

为了减重,主腿和副腿的外壳是又长又薄的圆筒结构,为了确保圆筒强度,设计师优选了强度很高的铝合金材料。圆筒中还填充有缓冲蜂窝材料,在前期试验中,工作人员先后加工了约6000件规格各异的缓冲蜂窝,最终筛选出性能稳定、成品率高的缓冲蜂窝。在着陆时的巨大冲击下,主腿和副腿都能依靠挤压蜂窝吸收冲击力,让着陆器平稳地着陆。

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