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看见“看不见的”月背影像

—专访航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统项目执行总监张熇

2019-03-14      本刊记者 温志宏 李卓希

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    张熇从2001年就加入了中国探月工程论证组,此次担任航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统项目执行总监。 摄影 陈建/人民画报

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    张熇带领研制团队实时监测嫦娥四号月背工作情况。 摄影 渠丽霞

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    张熇与设计师们一起实施飞行控制测试工作。 摄影 渠丽霞

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    任务成功后,张熇在项目流程大图上画上圆满的句号。 摄影 渠丽霞

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    发射宣布成功后,张熇与设计师们欢庆胜利。 摄影 渠丽霞

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  在嫦娥四号探测器系统项目执行总监张熇看来,月背环境是中外科学家都梦寐以求的,嫦娥四号传回的月背图片呈现出与想象非常不同的景观,将月球正面和背面的探测结果进行比对验证,会有大量新的科学发现,这对于世界各国科学家和工程人员来说,都有非常大的意义。

  2019215日,中国国家航天局、中国科学院和国际天文学联合会联合召开新闻发布会,向全世界发布嫦娥四号着陆区域月球地理实体命名。201924日,国际天文学联合会(IAU)批准了利用探月工程嫦娥二号和嫦娥四号高分辨月面影像数据申报的嫦娥四号着陆点及其附近5个月球地理实体命名:嫦娥四号着陆点命名为天河基地;着陆点周围呈三角形排列的三个环形坑,分别命名为织女、河鼓和天津;着陆点所在冯·卡门坑内的中央峰命名为泰山。这是中国月球探测工程科学数据成果在月球地理实体命名上的又一次重要应用。

  月球地理实体命名能从一个侧面反映一个国家在月球探测及科学研究领域所取得的成绩,体现了一个国家的综合实力和科学技术发展水平。中国利用探月工程嫦娥二号和嫦娥四号高分辨月面影像数据申报嫦娥四号月球地理实体的命名获得批准,是开展嫦娥四号科学研究与应用所取得的又一项重要原创性成果,也是中国对世界月球探测的又一贡献,为国内外科学家开展科学研究和学术交流提供了位置标准及基础数据。

  201913日上午,嫦娥四号即将落月之前,嫦娥四号探测器系统总设计师、总指挥顾问叶培建院士来到项目执行总监张熇的座位前问她是不是紧张。张熇回答说,有点紧张。叶培建说,没关系,别紧张。

  嫦娥四号动力下降过程异常惊心动魄,那“漫长”的十几分钟后,张熇悬在嗓子眼的心终于落了下来,她转身握住身后叶培建的手,喜极而泣。

  嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,当初在去月球正面还是背面的问题上,争议很大。不少人质疑,为什么其他国家都不去,而你们要去?去了之后有什么价值?

  近日在接受《人民画报》专访时,张熇表示,研究月背环境是中外科学家都梦寐以求的,将月球正面和背面的探测结果进行对比验证,会有大量新的科学发现。

  《人民画报》:嫦娥四号从发射到顺利落月的过程中,您最紧张的时间点是什么?在影响嫦娥四号成败与否的诸多因素中,最为关键的是什么?

  张熇:有三个比较紧张的时间点:第一是火箭发射,卫星能不能准确入轨,送入轨道之后是否能展开太阳能帆板获得能量;第二是近月制动,到了月球附近,如果嫦娥四号不刹车,它就会飞出去,所以近月制动时速度增量和姿态的控制都必须特别精确,要能够环绕月球转起来;最紧张的是第三个时刻,也就是动力下降和整个着陆过程。与嫦娥三号相比,嫦娥四号主要依靠鹊桥中继星通讯,有2-3分钟时延,所以整个过程不可逆,也没法干预,即使发现哪里不对,再发出指令也来不及了。

  嫦娥四号着陆器的每条“腿”上都有触月开关,最终我们看到四个触月开关都闭合了,加上降落相机拍摄的图像,都证明嫦娥确实站在了月面上。随后一个挑战是着陆器要自主展开太阳能帆板以获取能量,这一步完成后,就不会再出颠覆性的问题,这时才基本放心了。

  月背地形比正面崎岖得多,大坑特别多,所以相对于嫦娥三号,嫦娥四号调整了动力下降策略,软件控制方面修改比较多。嫦娥三号是斜面下降,嫦娥四号在主减速段主要是平飞,然后直接到达着陆点上空,从距月面6公里开始,几乎垂直下降到着陆区,以此来避免航际过程可能遇到的地形起伏。

  另外,嫦娥三号着陆时,地面工作站是可以看到的,空间时延非常短,但嫦娥四号因为时延变长,对故障应对的能力相对更差,所以我们给四号增加了不少自主功能,让它自己来判定发动机是否开机,敏感器工作是否正常等。

  《人民画报》:在嫦娥四号和玉兔二号后续的月背科考中,可能遇到的问题和挑战是什么?可能出现的最大的突破性收获又是什么?

  张熇:因为月球背面和正面的演化历史不太一样,因此嫦娥四号首先希望对月背地表物质分析有新的发现,这主要依靠月球车上载荷的红外光谱仪,通过红外特性分析月壤成分,嫦娥三号也曾搭载过这个仪器。嫦娥三号上的电磁雷达这次也装载在了月球车玉兔二号上,玉兔在行走过程中,通过发射电磁波和回波的情况来收集月壳分层结构信息,希望玉兔能够走得远一点。

  最困难的是低频射电观测,这是嫦娥四号的新载荷,目的是观测宇宙和太阳等天体发出的低频辐射信号。难点在于,我们的探测器本身也发射出很多低频电磁信号。从目前已经收到的部分数据看,还得做很多工作,来进一步剔除噪声,真正分离出宇宙尤其是太阳低频射电信号。

  《人民画报》:嫦娥四号搭载了哪些科研载荷?选择标准是什么?

  张熇:着陆器和月球车上各自有四个载荷。比如月球车上有全景相机,用以拍摄图片供科研使用;还有来自瑞典的中性原子探测器,主要分析月球上有哪些中性原子。着陆器上搭载着德国的中子辐射探测仪,用以探测月球的中子环境,这主要是为了实施月球水冰探测;着陆器上还装有地形地貌相机,用于航拍月表图像。

  中国国家科工局向世界征集载荷,但因为重量有限,国际载荷最终带了4个。鹊桥中继星上还加装了荷兰的第一射电载荷。

  《人民画报》:嫦娥四号和嫦娥三号最大的不同是什么?

  张熇:两个卫星看起来外观差不多,实际上差异挺大的。

  首先,因为嫦娥四号着陆的导航控制策略不同,因此导航敏感器、激光测距敏感器和微波测速敏感器等硬件都专门进行了针对月背的更改。

  第二是月夜温度采集,这是嫦娥三号没有做到的。月夜温度到底是多少,美国阿波罗号载人登月时探测过,也有资料说月壤温度会在零下180摄氏度,但中国没有自己的数据。嫦娥四号依靠技术突破,解决了给月夜温度采集装置持续提供电能的问题。着陆器能够接触到月壤的位置布了很多测点,以此获取月球月壤温度和其他数据。

  《人民画报》:中国探月工程和深空探测今后面临的艰巨任务包括哪些?

  张熇:随着嫦娥五号从月球取样返回工程的继续推进,中国探月工程已经基本掌握了探测地外天体所实施的“绕落巡回”等常规步骤。

  不过,人类虽然已经上百次探测过月球,实际上对月球的认识还非常浅。包括月球的起源,月球上有没有水,月壳下面是什么,很多科学问题都没有研究透彻。中国月球探测四期希望着陆探测月球极区。这面临的首要问题就是极区地形更为崎岖,而且还存在永久阴影区,着陆器万一掉落进去,就没法出来了。所以极区着陆精度要到1公里甚至几百米以内,难度大要求高,因为相比之下,嫦娥三号是在几百公里范围内着陆的,嫦娥四号是在几公里范围内。

  此外,因为太阳角度比较低,极区异常寒冷,永久阴影区里更是没有能源和光照,所以对探测器供热和能源持续方面的设计会有新的困难。

  同时,四期希望能够更多探测月壤深层物质,这就要求机器人具备更强大的自主能力,要能够深度挖掘,能飞起来,还能自己做任务规划。到2030年前,中国希望能够在月球上建成一个长期运营的科研站。

  在深空探测方面,中国的载人登月计划还在继续,火星、小行星、木星,甚至飞到更远的太阳系边界探测,这些领域面临的技术挑战非常多,比如轨道设计、自主导航、动力需要、测控通讯和能源问题等。可以说,深空的每次探索都是一次大的技术跨越。

  《人民画报》:从2001年开始参与探月工程,到担任嫦娥四号探测器项目执行总监,您个人收获最大的是什么?

  张熇:参与探月工程和航天工作让我更有勇气面对困难,解决问题的能力也越来越强。刚参与嫦娥系列时,我第一次参加发动机试车,现场声音非常非常大,在某种工况下声音不仅巨大而且异常尖锐,我心里非常紧张,后来同事安慰我说,听多了就好了。还有做力学实验时,整星在不同频段上会有共振,声音越来越大,巨大的轰鸣声不停地从不同方向传来,站在力学试验台的旁边,我担心产品出问题,紧张得不行,这对心理承受能力也是一种锻炼,后来经历得多了,就相信无论技术上有多大困难,都可以解决。

  我从小就喜欢看星星,喜欢拍摄星空和天文类内容,总想着能够走得更远,看到更多的地外天体。长大后能走进深空探测领域,成为探月团队的一员,我感觉非常幸运。

  《人民画报》:常有人探讨如果外星人真来了地球怎么办。您如何看待地外文明和来自宇宙的神秘信号?

  张熇:我相信人类不是宇宙中唯一的智慧生命,应该还有比我们更智慧的生命存在,虽然我们暂时看不到他们,也不知哪天会和他们相遇。

  面对外星人,人类还是要谨慎一些,相信外星人最初对人类也会持一种观望的姿态。相遇之时,希望彼此没有太多的敌意,能够友好地在宇宙中和谐相处。

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看见“看不见的”月背影像

—专访航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统项目执行总监张熇

2019-03-14      本刊记者 温志宏 李卓希

  在嫦娥四号探测器系统项目执行总监张熇看来,月背环境是中外科学家都梦寐以求的,嫦娥四号传回的月背图片呈现出与想象非常不同的景观,将月球正面和背面的探测结果进行比对验证,会有大量新的科学发现,这对于世界各国科学家和工程人员来说,都有非常大的意义。

  2019215日,中国国家航天局、中国科学院和国际天文学联合会联合召开新闻发布会,向全世界发布嫦娥四号着陆区域月球地理实体命名。201924日,国际天文学联合会(IAU)批准了利用探月工程嫦娥二号和嫦娥四号高分辨月面影像数据申报的嫦娥四号着陆点及其附近5个月球地理实体命名:嫦娥四号着陆点命名为天河基地;着陆点周围呈三角形排列的三个环形坑,分别命名为织女、河鼓和天津;着陆点所在冯·卡门坑内的中央峰命名为泰山。这是中国月球探测工程科学数据成果在月球地理实体命名上的又一次重要应用。

  月球地理实体命名能从一个侧面反映一个国家在月球探测及科学研究领域所取得的成绩,体现了一个国家的综合实力和科学技术发展水平。中国利用探月工程嫦娥二号和嫦娥四号高分辨月面影像数据申报嫦娥四号月球地理实体的命名获得批准,是开展嫦娥四号科学研究与应用所取得的又一项重要原创性成果,也是中国对世界月球探测的又一贡献,为国内外科学家开展科学研究和学术交流提供了位置标准及基础数据。

  201913日上午,嫦娥四号即将落月之前,嫦娥四号探测器系统总设计师、总指挥顾问叶培建院士来到项目执行总监张熇的座位前问她是不是紧张。张熇回答说,有点紧张。叶培建说,没关系,别紧张。

  嫦娥四号动力下降过程异常惊心动魄,那“漫长”的十几分钟后,张熇悬在嗓子眼的心终于落了下来,她转身握住身后叶培建的手,喜极而泣。

  嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,当初在去月球正面还是背面的问题上,争议很大。不少人质疑,为什么其他国家都不去,而你们要去?去了之后有什么价值?

  近日在接受《人民画报》专访时,张熇表示,研究月背环境是中外科学家都梦寐以求的,将月球正面和背面的探测结果进行对比验证,会有大量新的科学发现。

  《人民画报》:嫦娥四号从发射到顺利落月的过程中,您最紧张的时间点是什么?在影响嫦娥四号成败与否的诸多因素中,最为关键的是什么?

  张熇:有三个比较紧张的时间点:第一是火箭发射,卫星能不能准确入轨,送入轨道之后是否能展开太阳能帆板获得能量;第二是近月制动,到了月球附近,如果嫦娥四号不刹车,它就会飞出去,所以近月制动时速度增量和姿态的控制都必须特别精确,要能够环绕月球转起来;最紧张的是第三个时刻,也就是动力下降和整个着陆过程。与嫦娥三号相比,嫦娥四号主要依靠鹊桥中继星通讯,有2-3分钟时延,所以整个过程不可逆,也没法干预,即使发现哪里不对,再发出指令也来不及了。

  嫦娥四号着陆器的每条“腿”上都有触月开关,最终我们看到四个触月开关都闭合了,加上降落相机拍摄的图像,都证明嫦娥确实站在了月面上。随后一个挑战是着陆器要自主展开太阳能帆板以获取能量,这一步完成后,就不会再出颠覆性的问题,这时才基本放心了。

  月背地形比正面崎岖得多,大坑特别多,所以相对于嫦娥三号,嫦娥四号调整了动力下降策略,软件控制方面修改比较多。嫦娥三号是斜面下降,嫦娥四号在主减速段主要是平飞,然后直接到达着陆点上空,从距月面6公里开始,几乎垂直下降到着陆区,以此来避免航际过程可能遇到的地形起伏。

  另外,嫦娥三号着陆时,地面工作站是可以看到的,空间时延非常短,但嫦娥四号因为时延变长,对故障应对的能力相对更差,所以我们给四号增加了不少自主功能,让它自己来判定发动机是否开机,敏感器工作是否正常等。

  《人民画报》:在嫦娥四号和玉兔二号后续的月背科考中,可能遇到的问题和挑战是什么?可能出现的最大的突破性收获又是什么?

  张熇:因为月球背面和正面的演化历史不太一样,因此嫦娥四号首先希望对月背地表物质分析有新的发现,这主要依靠月球车上载荷的红外光谱仪,通过红外特性分析月壤成分,嫦娥三号也曾搭载过这个仪器。嫦娥三号上的电磁雷达这次也装载在了月球车玉兔二号上,玉兔在行走过程中,通过发射电磁波和回波的情况来收集月壳分层结构信息,希望玉兔能够走得远一点。

  最困难的是低频射电观测,这是嫦娥四号的新载荷,目的是观测宇宙和太阳等天体发出的低频辐射信号。难点在于,我们的探测器本身也发射出很多低频电磁信号。从目前已经收到的部分数据看,还得做很多工作,来进一步剔除噪声,真正分离出宇宙尤其是太阳低频射电信号。

  《人民画报》:嫦娥四号搭载了哪些科研载荷?选择标准是什么?

  张熇:着陆器和月球车上各自有四个载荷。比如月球车上有全景相机,用以拍摄图片供科研使用;还有来自瑞典的中性原子探测器,主要分析月球上有哪些中性原子。着陆器上搭载着德国的中子辐射探测仪,用以探测月球的中子环境,这主要是为了实施月球水冰探测;着陆器上还装有地形地貌相机,用于航拍月表图像。

  中国国家科工局向世界征集载荷,但因为重量有限,国际载荷最终带了4个。鹊桥中继星上还加装了荷兰的第一射电载荷。

  《人民画报》:嫦娥四号和嫦娥三号最大的不同是什么?

  张熇:两个卫星看起来外观差不多,实际上差异挺大的。

  首先,因为嫦娥四号着陆的导航控制策略不同,因此导航敏感器、激光测距敏感器和微波测速敏感器等硬件都专门进行了针对月背的更改。

  第二是月夜温度采集,这是嫦娥三号没有做到的。月夜温度到底是多少,美国阿波罗号载人登月时探测过,也有资料说月壤温度会在零下180摄氏度,但中国没有自己的数据。嫦娥四号依靠技术突破,解决了给月夜温度采集装置持续提供电能的问题。着陆器能够接触到月壤的位置布了很多测点,以此获取月球月壤温度和其他数据。

  《人民画报》:中国探月工程和深空探测今后面临的艰巨任务包括哪些?

  张熇:随着嫦娥五号从月球取样返回工程的继续推进,中国探月工程已经基本掌握了探测地外天体所实施的“绕落巡回”等常规步骤。

  不过,人类虽然已经上百次探测过月球,实际上对月球的认识还非常浅。包括月球的起源,月球上有没有水,月壳下面是什么,很多科学问题都没有研究透彻。中国月球探测四期希望着陆探测月球极区。这面临的首要问题就是极区地形更为崎岖,而且还存在永久阴影区,着陆器万一掉落进去,就没法出来了。所以极区着陆精度要到1公里甚至几百米以内,难度大要求高,因为相比之下,嫦娥三号是在几百公里范围内着陆的,嫦娥四号是在几公里范围内。

  此外,因为太阳角度比较低,极区异常寒冷,永久阴影区里更是没有能源和光照,所以对探测器供热和能源持续方面的设计会有新的困难。

  同时,四期希望能够更多探测月壤深层物质,这就要求机器人具备更强大的自主能力,要能够深度挖掘,能飞起来,还能自己做任务规划。到2030年前,中国希望能够在月球上建成一个长期运营的科研站。

  在深空探测方面,中国的载人登月计划还在继续,火星、小行星、木星,甚至飞到更远的太阳系边界探测,这些领域面临的技术挑战非常多,比如轨道设计、自主导航、动力需要、测控通讯和能源问题等。可以说,深空的每次探索都是一次大的技术跨越。

  《人民画报》:从2001年开始参与探月工程,到担任嫦娥四号探测器项目执行总监,您个人收获最大的是什么?

  张熇:参与探月工程和航天工作让我更有勇气面对困难,解决问题的能力也越来越强。刚参与嫦娥系列时,我第一次参加发动机试车,现场声音非常非常大,在某种工况下声音不仅巨大而且异常尖锐,我心里非常紧张,后来同事安慰我说,听多了就好了。还有做力学实验时,整星在不同频段上会有共振,声音越来越大,巨大的轰鸣声不停地从不同方向传来,站在力学试验台的旁边,我担心产品出问题,紧张得不行,这对心理承受能力也是一种锻炼,后来经历得多了,就相信无论技术上有多大困难,都可以解决。

  我从小就喜欢看星星,喜欢拍摄星空和天文类内容,总想着能够走得更远,看到更多的地外天体。长大后能走进深空探测领域,成为探月团队的一员,我感觉非常幸运。

  《人民画报》:常有人探讨如果外星人真来了地球怎么办。您如何看待地外文明和来自宇宙的神秘信号?

  张熇:我相信人类不是宇宙中唯一的智慧生命,应该还有比我们更智慧的生命存在,虽然我们暂时看不到他们,也不知哪天会和他们相遇。

  面对外星人,人类还是要谨慎一些,相信外星人最初对人类也会持一种观望的姿态。相遇之时,希望彼此没有太多的敌意,能够友好地在宇宙中和谐相处。

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    张熇从2001年就加入了中国探月工程论证组,此次担任航天科技集团五院嫦娥四号探测器系统项目执行总监。 摄影 陈建/人民画报

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    张熇带领研制团队实时监测嫦娥四号月背工作情况。 摄影 渠丽霞

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    张熇与设计师们一起实施飞行控制测试工作。 摄影 渠丽霞

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    任务成功后,张熇在项目流程大图上画上圆满的句号。 摄影 渠丽霞

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    发射宣布成功后,张熇与设计师们欢庆胜利。 摄影 渠丽霞