嫦娥四号凌晨赴月球之约，这些“神器”出自上海
【新民晚报·新民网】2018年是我国航天发射的大年，进入12月，中国航天又迎来一次高光时刻。今天凌晨，我国嫦娥四号月球探测器在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭发射升空。这一次，“四姑娘”肩负的使命更艰巨、也更具创新——将实现世界首次月球背面软着陆和巡视探测。
通过之前发射的绕月探测器，人类了解到，月球背面与正面存在着很多不同。去月球背面看看，成为不少科学家梦寐以求却始终无法实现的梦想。月球背面充满着未知，如何让嫦娥四号安全着陆、如何保证在太空环境下仪器设备处于合适的工作温度、如何探测月面的矿物成分？这一次，来自中国科学院上海技术物理研究所、上海天文台、上海硅酸盐研究所、上海光学精密机械研究所和上海有机化学研究所的科研人用一件件“上海制造”给出了答案。
视频来源：中科院上海技物所
激光“慧眼”识别安全降落区
相较其“姐姐”们，“四姑娘”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”，中科院上海技物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将发挥至关重要的作用。
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。主任设计师程鹏飞告诉记者，激光测距敏感器采用脉冲法测量距离。“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，以此获得嫦娥四号着陆器相对于月面的精确距离。”
图说：激光测距敏感器 中科院上海技物所供图
2016年4月，程鹏飞接到了重新研制激光测距敏感器的任务，立即和团队成员投入研发。“在月球背面着陆意味着它需要具备更多自主判断的能力。我国5月发射了‘鹊桥’中继卫星，将为探测器和地球‘牵线搭桥’。”程鹏飞介绍，“嫦娥三号可以将测距数据直接传回地球，更新率是2秒，可由于嫦娥四号中继星的传输延时和传输带宽有限，测距数据传回地球的更新率要慢整整十倍：23秒！它要更多靠自己了。”经过1年多的攻坚，程鹏飞和团队采用了回波信号自动增益控制、多个测距通道复合交接班、百亿分之一秒高分辨率时间间隔测量等关键技术，使探测距离超过40公里，距离测量精度优于20厘米。
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“四姑娘”的“眼睛”——带她避开陡峭的陨石坑和大石块，确定安全着陆区。
嫦娥四号激光三维成像敏感器是嫦娥三号的备份产品，“生产日期”是2013年9月，在嫦娥三号任务完成后转为执行嫦娥四号任务。“在‘保质期’里，保证它‘取之能用’是我们的任务。”激光三维成像敏感器主管设计师李铭说，“我们每半年会为它做一次‘体检’，确保产品性能指标符合要求，安全可靠。”
据介绍，探测器在距离月面100米高度时，着陆器悬停，激光三维成像敏感器获取月面着陆区域的三维图像，通过计算分析选择适合安全软着陆的区域。“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。”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。”
红外“相机”照出月球信息
造访“新地标”，不“拍”个够怎么行？顺利抵达月球背面后，中科院上海技物所另一“神器”将大显身手。红外成像光谱仪是月球车上配备的有效载荷，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，在月球车的辅助下可以获取月表指定位置的精细光谱信息。
图说：红外成像光谱仪地面验证件辐射标定实验 新民晚报记者 郜阳摄
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。
“天马”实时找出“鹊桥”位置
“四姑娘”将飞往月球并着落在月球背面进行探测。为实现与地面站的通信，科学家们在太空里“布”了一个通讯站——中继星“鹊桥”，目前已成功实现在地月L2使命轨道飞行。此次，上海65米口径的天马望远镜，再次与北京密云站、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”。中科院上海天文台等单位将共同为嫦娥四号探测器和中继星测轨定位，为其保驾护航。
作为现代天文观测中分辨本领最高的观测手段之一，VLBI各个观测单元之间不需要电的连接，而是采用独立本振技术，通过联合数台小望远镜来达到一台大型望远镜的观测效果。
图说：天马望远镜 中科院上海天文台供图
自中继星发射之日起，中科院上海天文台就启动了对它的实时观测，确保其顺利飞抵目标轨。中继星在在地月L2 轨道飞行期间，天马射电望远镜还承担了中继星天线在轨指向标定工作，目前标定工作进展顺利。
“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！
此次任务中，为缩短数据传递和处理周期、实现实时观测和处理，中科院上海天文台还采用了基于数字化采集、记录和高速网络数据传输的实时VLBI (e-VLBI)技术。“目前，实时性指标优于40秒、测量精度指标优于3纳秒。”洪晓瑜表示。
在“四姑娘”从地球飞往月球的路上，上海天文台的科研人员们还将通过VLBI网及时看清她的轨迹，并预报她后续轨道，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。
裁剪各式温控“外衣”
从地球出发到月球“做客”，嫦娥四号所处的超高真空空间环境可不比“家”里来得舒服——朝向太阳的表面酷热难当，而背向太阳的表面则异常寒冷。要让仪器设备表面温度处于正常工作状态，就需要在设备外表面使用不同太阳吸收率和热辐射率的涂层来调节其热平衡温度。中科院上海硅酸盐所和中科院上海有机所的科研人员们就为“四姑娘”备了各式各样的“外衣”，让她从容应对各种温度的挑战。
图说：嫦娥四号着落器7500N发动机高温多层隔热材料 中科院上海硅酸盐所供图
“四姑娘”从15公里高度降至月球表面的720秒时间里，变推力发动机工作期间燃烧室和喷管的温度会迅速升高，上海硅酸盐所特种无机涂层重点实验室的于云研究员就为此“裁剪”了一条“公主裙”。这条‘裙子’实际是一道高温隔热屏，在发动机与周围的电子元器件之间形成了一道屏障，有效地减小了发动机工作对探测器本体温度的影响。
月球表面昼夜温差极大，温度最低时可达零下180℃，最高可超过150℃，可探头等单机的运行温度一般在-40℃至50℃之间。一旦超出正常的温度范围就会造成单机的功能失效甚至损坏。“我们为相关设备量身定做了一套‘金灿灿’的‘外套’，它可以双向隔热，外部高温时候热量不往里传，外部寒冷时候里面热量不往外漏。”
不仅如此，上海硅酸盐所的科研人员还让“四姑娘”涂上了“防晒霜”——低吸收、高发射的热孔涂层。这些涂层具备温控性能好、耐空间环境性强、均匀性优等特点，保证了这些机构中的部件、电机正常的工作温度水平，为巡视探测器在月面巡视勘察、机械臂的正常运转发挥了重要的作用。
为“四姑娘”补充能量的太阳电池阵也少不了“私人订制”。在太阳电池阵的接触支点上，上海硅酸盐所研发的高摩擦抗冷焊涂层不仅能确保其在经过发射、奔月、着陆、两器分离等加速和减速环节后仍然稳定可靠，涂层的抗冷焊功能也让太阳电池阵在经过长时间压紧收拢状态后依然“收张自如”。
上海有机所为嫦娥系列卫星研制生产了ERB-2、SR107-ZK等有机热控涂层，这些涂层同样为航天器的正常工作温度环境保驾护航。（新民晚报记者 郜阳）