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看見“看不見的”月背影像

—專訪航天科技集團五院嫦娥四號探測器系統項目執行總監張熇

2019-03-14      本刊記者 溫志宏 李卓希

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    張熇從2001年就加入了中國探月工程論證組,此次擔任航天科技集團五院嫦娥四號探測器系統項目執行總監。 攝影 陳建/人民畫報

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    張熇帶領研制團隊實時監測嫦娥四號月背工作情況。 攝影 渠麗霞

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    張熇與設計師們一起實施飛行控制測試工作。 攝影 渠麗霞

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    任務成功后,張熇在項目流程大圖上畫上圓滿的句號。 攝影 渠麗霞

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    發射宣布成功后,張熇與設計師們歡慶勝利。 攝影 渠麗霞

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  在嫦娥四號探測器系統項目執行總監張熇看來,月背環境是中外科學家都夢寐以求的,嫦娥四號傳回的月背圖片呈現出與想象非常不同的景觀,將月球正面和背面的探測結果進行比對驗證,會有大量新的科學發現,這對于世界各國科學家和工程人員來說,都有非常大的意義。

  2019215日,中國國家航天局、中國科學院和國際天文學聯合會聯合召開新聞發布會,向全世界發布嫦娥四號著陸區域月球地理實體命名。201924日,國際天文學聯合會(IAU)批準了利用探月工程嫦娥二號和嫦娥四號高分辨月面影像數據申報的嫦娥四號著陸點及其附近5個月球地理實體命名:嫦娥四號著陸點命名為天河基地;著陸點周圍呈三角形排列的三個環形坑,分別命名為織女、河鼓和天津;著陸點所在馮·卡門坑內的中央峰命名為泰山。這是中國月球探測工程科學數據成果在月球地理實體命名上的又一次重要應用。

  月球地理實體命名能從一個側面反映一個國家在月球探測及科學研究領域所取得的成績,體現了一個國家的綜合實力和科學技術發展水平。中國利用探月工程嫦娥二號和嫦娥四號高分辨月面影像數據申報嫦娥四號月球地理實體的命名獲得批準,是開展嫦娥四號科學研究與應用所取得的又一項重要原創性成果,也是中國對世界月球探測的又一貢獻,為國內外科學家開展科學研究和學術交流提供了位置標準及基礎數據。

  201913日上午,嫦娥四號即將落月之前,嫦娥四號探測器系統總設計師、總指揮顧問葉培建院士來到項目執行總監張熇的座位前問她是不是緊張。張熇回答說,有點緊張。葉培建說,沒關系,別緊張。

  嫦娥四號動力下降過程異常驚心動魄,那“漫長”的十幾分鐘后,張熇懸在嗓子眼的心終于落了下來,她轉身握住身后葉培建的手,喜極而泣。

  嫦娥四號是嫦娥三號的備份星,當初在去月球正面還是背面的問題上,爭議很大。不少人質疑,為什么其他國家都不去,而你們要去?去了之后有什么價值?

  近日在接受《人民畫報》專訪時,張熇表示,研究月背環境是中外科學家都夢寐以求的,將月球正面和背面的探測結果進行對比驗證,會有大量新的科學發現。

  《人民畫報》:嫦娥四號從發射到順利落月的過程中,您最緊張的時間點是什么?在影響嫦娥四號成敗與否的諸多因素中,最為關鍵的是什么?

  張熇:有三個比較緊張的時間點:第一是火箭發射,衛星能不能準確入軌,送入軌道之后是否能展開太陽能帆板獲得能量;第二是近月制動,到了月球附近,如果嫦娥四號不剎車,它就會飛出去,所以近月制動時速度增量和姿態的控制都必須特別精確,要能夠環繞月球轉起來;最緊張的是第三個時刻,也就是動力下降和整個著陸過程。與嫦娥三號相比,嫦娥四號主要依靠鵲橋中繼星通訊,有2-3分鐘時延,所以整個過程不可逆,也沒法干預,即使發現哪里不對,再發出指令也來不及了。

  嫦娥四號著陸器的每條“腿”上都有觸月開關,最終我們看到四個觸月開關都閉合了,加上降落相機拍攝的圖像,都證明嫦娥確實站在了月面上。隨后一個挑戰是著陸器要自主展開太陽能帆板以獲取能量,這一步完成后,就不會再出顛覆性的問題,這時才基本放心了。

  月背地形比正面崎嶇得多,大坑特別多,所以相對于嫦娥三號,嫦娥四號調整了動力下降策略,軟件控制方面修改比較多。嫦娥三號是斜面下降,嫦娥四號在主減速段主要是平飛,然后直接到達著陸點上空,從距月面6公里開始,幾乎垂直下降到著陸區,以此來避免航際過程可能遇到的地形起伏。

  另外,嫦娥三號著陸時,地面工作站是可以看到的,空間時延非常短,但嫦娥四號因為時延變長,對故障應對的能力相對更差,所以我們給四號增加了不少自主功能,讓它自己來判定發動機是否開機,敏感器工作是否正常等。

  《人民畫報》:在嫦娥四號和玉兔二號后續的月背科考中,可能遇到的問題和挑戰是什么?可能出現的最大的突破性收獲又是什么?

  張熇:因為月球背面和正面的演化歷史不太一樣,因此嫦娥四號首先希望對月背地表物質分析有新的發現,這主要依靠月球車上載荷的紅外光譜儀,通過紅外特性分析月壤成分,嫦娥三號也曾搭載過這個儀器。嫦娥三號上的電磁雷達這次也裝載在了月球車玉兔二號上,玉兔在行走過程中,通過發射電磁波和回波的情況來收集月殼分層結構信息,希望玉兔能夠走得遠一點。

  最困難的是低頻射電觀測,這是嫦娥四號的新載荷,目的是觀測宇宙和太陽等天體發出的低頻輻射信號。難點在于,我們的探測器本身也發射出很多低頻電磁信號。從目前已經收到的部分數據看,還得做很多工作,來進一步剔除噪聲,真正分離出宇宙尤其是太陽低頻射電信號。

  《人民畫報》:嫦娥四號搭載了哪些科研載荷?選擇標準是什么?

  張熇:著陸器和月球車上各自有四個載荷。比如月球車上有全景相機,用以拍攝圖片供科研使用;還有來自瑞典的中性原子探測器,主要分析月球上有哪些中性原子。著陸器上搭載著德國的中子輻射探測儀,用以探測月球的中子環境,這主要是為了實施月球水冰探測;著陸器上還裝有地形地貌相機,用于航拍月表圖像。

  中國國家科工局向世界征集載荷,但因為重量有限,國際載荷最終帶了4個。鵲橋中繼星上還加裝了荷蘭的第一射電載荷。

  《人民畫報》:嫦娥四號和嫦娥三號最大的不同是什么?

  張熇:兩個衛星看起來外觀差不多,實際上差異挺大的。

  首先,因為嫦娥四號著陸的導航控制策略不同,因此導航敏感器、激光測距敏感器和微波測速敏感器等硬件都專門進行了針對月背的更改。

  第二是月夜溫度采集,這是嫦娥三號沒有做到的。月夜溫度到底是多少,美國阿波羅號載人登月時探測過,也有資料說月壤溫度會在零下180攝氏度,但中國沒有自己的數據。嫦娥四號依靠技術突破,解決了給月夜溫度采集裝置持續提供電能的問題。著陸器能夠接觸到月壤的位置布了很多測點,以此獲取月球月壤溫度和其他數據。

  《人民畫報》:中國探月工程和深空探測今后面臨的艱巨任務包括哪些?

  張熇:隨著嫦娥五號從月球取樣返回工程的繼續推進,中國探月工程已經基本掌握了探測地外天體所實施的“繞落巡回”等常規步驟。

  不過,人類雖然已經上百次探測過月球,實際上對月球的認識還非常淺。包括月球的起源,月球上有沒有水,月殼下面是什么,很多科學問題都沒有研究透徹。中國月球探測四期希望著陸探測月球極區。這面臨的首要問題就是極區地形更為崎嶇,而且還存在永久陰影區,著陸器萬一掉落進去,就沒法出來了。所以極區著陸精度要到1公里甚至幾百米以內,難度大要求高,因為相比之下,嫦娥三號是在幾百公里范圍內著陸的,嫦娥四號是在幾公里范圍內。

  此外,因為太陽角度比較低,極區異常寒冷,永久陰影區里更是沒有能源和光照,所以對探測器供熱和能源持續方面的設計會有新的困難。

  同時,四期希望能夠更多探測月壤深層物質,這就要求機器人具備更強大的自主能力,要能夠深度挖掘,能飛起來,還能自己做任務規劃。到2030年前,中國希望能夠在月球上建成一個長期運營的科研站。

  在深空探測方面,中國的載人登月計劃還在繼續,火星、小行星、木星,甚至飛到更遠的太陽系邊界探測,這些領域面臨的技術挑戰非常多,比如軌道設計、自主導航、動力需要、測控通訊和能源問題等。可以說,深空的每次探索都是一次大的技術跨越。

  《人民畫報》:從2001年開始參與探月工程,到擔任嫦娥四號探測器項目執行總監,您個人收獲最大的是什么?

  張熇:參與探月工程和航天工作讓我更有勇氣面對困難,解決問題的能力也越來越強。剛參與嫦娥系列時,我第一次參加發動機試車,現場聲音非常非常大,在某種工況下聲音不僅巨大而且異常尖銳,我心里非常緊張,后來同事安慰我說,聽多了就好了。還有做力學實驗時,整星在不同頻段上會有共振,聲音越來越大,巨大的轟鳴聲不停地從不同方向傳來,站在力學試驗臺的旁邊,我擔心產品出問題,緊張得不行,這對心理承受能力也是一種鍛煉,后來經歷得多了,就相信無論技術上有多大困難,都可以解決。

  我從小就喜歡看星星,喜歡拍攝星空和天文類內容,總想著能夠走得更遠,看到更多的地外天體。長大后能走進深空探測領域,成為探月團隊的一員,我感覺非常幸運。

  《人民畫報》:常有人探討如果外星人真來了地球怎么辦。您如何看待地外文明和來自宇宙的神秘信號?

  張熇:我相信人類不是宇宙中唯一的智慧生命,應該還有比我們更智慧的生命存在,雖然我們暫時看不到他們,也不知哪天會和他們相遇。

  面對外星人,人類還是要謹慎一些,相信外星人最初對人類也會持一種觀望的姿態。相遇之時,希望彼此沒有太多的敵意,能夠友好地在宇宙中和諧相處。

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看見“看不見的”月背影像

—專訪航天科技集團五院嫦娥四號探測器系統項目執行總監張熇

2019-03-14      本刊記者 溫志宏 李卓希

  在嫦娥四號探測器系統項目執行總監張熇看來,月背環境是中外科學家都夢寐以求的,嫦娥四號傳回的月背圖片呈現出與想象非常不同的景觀,將月球正面和背面的探測結果進行比對驗證,會有大量新的科學發現,這對于世界各國科學家和工程人員來說,都有非常大的意義。

  2019215日,中國國家航天局、中國科學院和國際天文學聯合會聯合召開新聞發布會,向全世界發布嫦娥四號著陸區域月球地理實體命名。201924日,國際天文學聯合會(IAU)批準了利用探月工程嫦娥二號和嫦娥四號高分辨月面影像數據申報的嫦娥四號著陸點及其附近5個月球地理實體命名:嫦娥四號著陸點命名為天河基地;著陸點周圍呈三角形排列的三個環形坑,分別命名為織女、河鼓和天津;著陸點所在馮·卡門坑內的中央峰命名為泰山。這是中國月球探測工程科學數據成果在月球地理實體命名上的又一次重要應用。

  月球地理實體命名能從一個側面反映一個國家在月球探測及科學研究領域所取得的成績,體現了一個國家的綜合實力和科學技術發展水平。中國利用探月工程嫦娥二號和嫦娥四號高分辨月面影像數據申報嫦娥四號月球地理實體的命名獲得批準,是開展嫦娥四號科學研究與應用所取得的又一項重要原創性成果,也是中國對世界月球探測的又一貢獻,為國內外科學家開展科學研究和學術交流提供了位置標準及基礎數據。

  201913日上午,嫦娥四號即將落月之前,嫦娥四號探測器系統總設計師、總指揮顧問葉培建院士來到項目執行總監張熇的座位前問她是不是緊張。張熇回答說,有點緊張。葉培建說,沒關系,別緊張。

  嫦娥四號動力下降過程異常驚心動魄,那“漫長”的十幾分鐘后,張熇懸在嗓子眼的心終于落了下來,她轉身握住身后葉培建的手,喜極而泣。

  嫦娥四號是嫦娥三號的備份星,當初在去月球正面還是背面的問題上,爭議很大。不少人質疑,為什么其他國家都不去,而你們要去?去了之后有什么價值?

  近日在接受《人民畫報》專訪時,張熇表示,研究月背環境是中外科學家都夢寐以求的,將月球正面和背面的探測結果進行對比驗證,會有大量新的科學發現。

  《人民畫報》:嫦娥四號從發射到順利落月的過程中,您最緊張的時間點是什么?在影響嫦娥四號成敗與否的諸多因素中,最為關鍵的是什么?

  張熇:有三個比較緊張的時間點:第一是火箭發射,衛星能不能準確入軌,送入軌道之后是否能展開太陽能帆板獲得能量;第二是近月制動,到了月球附近,如果嫦娥四號不剎車,它就會飛出去,所以近月制動時速度增量和姿態的控制都必須特別精確,要能夠環繞月球轉起來;最緊張的是第三個時刻,也就是動力下降和整個著陸過程。與嫦娥三號相比,嫦娥四號主要依靠鵲橋中繼星通訊,有2-3分鐘時延,所以整個過程不可逆,也沒法干預,即使發現哪里不對,再發出指令也來不及了。

  嫦娥四號著陸器的每條“腿”上都有觸月開關,最終我們看到四個觸月開關都閉合了,加上降落相機拍攝的圖像,都證明嫦娥確實站在了月面上。隨后一個挑戰是著陸器要自主展開太陽能帆板以獲取能量,這一步完成后,就不會再出顛覆性的問題,這時才基本放心了。

  月背地形比正面崎嶇得多,大坑特別多,所以相對于嫦娥三號,嫦娥四號調整了動力下降策略,軟件控制方面修改比較多。嫦娥三號是斜面下降,嫦娥四號在主減速段主要是平飛,然后直接到達著陸點上空,從距月面6公里開始,幾乎垂直下降到著陸區,以此來避免航際過程可能遇到的地形起伏。

  另外,嫦娥三號著陸時,地面工作站是可以看到的,空間時延非常短,但嫦娥四號因為時延變長,對故障應對的能力相對更差,所以我們給四號增加了不少自主功能,讓它自己來判定發動機是否開機,敏感器工作是否正常等。

  《人民畫報》:在嫦娥四號和玉兔二號后續的月背科考中,可能遇到的問題和挑戰是什么?可能出現的最大的突破性收獲又是什么?

  張熇:因為月球背面和正面的演化歷史不太一樣,因此嫦娥四號首先希望對月背地表物質分析有新的發現,這主要依靠月球車上載荷的紅外光譜儀,通過紅外特性分析月壤成分,嫦娥三號也曾搭載過這個儀器。嫦娥三號上的電磁雷達這次也裝載在了月球車玉兔二號上,玉兔在行走過程中,通過發射電磁波和回波的情況來收集月殼分層結構信息,希望玉兔能夠走得遠一點。

  最困難的是低頻射電觀測,這是嫦娥四號的新載荷,目的是觀測宇宙和太陽等天體發出的低頻輻射信號。難點在于,我們的探測器本身也發射出很多低頻電磁信號。從目前已經收到的部分數據看,還得做很多工作,來進一步剔除噪聲,真正分離出宇宙尤其是太陽低頻射電信號。

  《人民畫報》:嫦娥四號搭載了哪些科研載荷?選擇標準是什么?

  張熇:著陸器和月球車上各自有四個載荷。比如月球車上有全景相機,用以拍攝圖片供科研使用;還有來自瑞典的中性原子探測器,主要分析月球上有哪些中性原子。著陸器上搭載著德國的中子輻射探測儀,用以探測月球的中子環境,這主要是為了實施月球水冰探測;著陸器上還裝有地形地貌相機,用于航拍月表圖像。

  中國國家科工局向世界征集載荷,但因為重量有限,國際載荷最終帶了4個。鵲橋中繼星上還加裝了荷蘭的第一射電載荷。

  《人民畫報》:嫦娥四號和嫦娥三號最大的不同是什么?

  張熇:兩個衛星看起來外觀差不多,實際上差異挺大的。

  首先,因為嫦娥四號著陸的導航控制策略不同,因此導航敏感器、激光測距敏感器和微波測速敏感器等硬件都專門進行了針對月背的更改。

  第二是月夜溫度采集,這是嫦娥三號沒有做到的。月夜溫度到底是多少,美國阿波羅號載人登月時探測過,也有資料說月壤溫度會在零下180攝氏度,但中國沒有自己的數據。嫦娥四號依靠技術突破,解決了給月夜溫度采集裝置持續提供電能的問題。著陸器能夠接觸到月壤的位置布了很多測點,以此獲取月球月壤溫度和其他數據。

  《人民畫報》:中國探月工程和深空探測今后面臨的艱巨任務包括哪些?

  張熇:隨著嫦娥五號從月球取樣返回工程的繼續推進,中國探月工程已經基本掌握了探測地外天體所實施的“繞落巡回”等常規步驟。

  不過,人類雖然已經上百次探測過月球,實際上對月球的認識還非常淺。包括月球的起源,月球上有沒有水,月殼下面是什么,很多科學問題都沒有研究透徹。中國月球探測四期希望著陸探測月球極區。這面臨的首要問題就是極區地形更為崎嶇,而且還存在永久陰影區,著陸器萬一掉落進去,就沒法出來了。所以極區著陸精度要到1公里甚至幾百米以內,難度大要求高,因為相比之下,嫦娥三號是在幾百公里范圍內著陸的,嫦娥四號是在幾公里范圍內。

  此外,因為太陽角度比較低,極區異常寒冷,永久陰影區里更是沒有能源和光照,所以對探測器供熱和能源持續方面的設計會有新的困難。

  同時,四期希望能夠更多探測月壤深層物質,這就要求機器人具備更強大的自主能力,要能夠深度挖掘,能飛起來,還能自己做任務規劃。到2030年前,中國希望能夠在月球上建成一個長期運營的科研站。

  在深空探測方面,中國的載人登月計劃還在繼續,火星、小行星、木星,甚至飛到更遠的太陽系邊界探測,這些領域面臨的技術挑戰非常多,比如軌道設計、自主導航、動力需要、測控通訊和能源問題等。可以說,深空的每次探索都是一次大的技術跨越。

  《人民畫報》:從2001年開始參與探月工程,到擔任嫦娥四號探測器項目執行總監,您個人收獲最大的是什么?

  張熇:參與探月工程和航天工作讓我更有勇氣面對困難,解決問題的能力也越來越強。剛參與嫦娥系列時,我第一次參加發動機試車,現場聲音非常非常大,在某種工況下聲音不僅巨大而且異常尖銳,我心里非常緊張,后來同事安慰我說,聽多了就好了。還有做力學實驗時,整星在不同頻段上會有共振,聲音越來越大,巨大的轟鳴聲不停地從不同方向傳來,站在力學試驗臺的旁邊,我擔心產品出問題,緊張得不行,這對心理承受能力也是一種鍛煉,后來經歷得多了,就相信無論技術上有多大困難,都可以解決。

  我從小就喜歡看星星,喜歡拍攝星空和天文類內容,總想著能夠走得更遠,看到更多的地外天體。長大后能走進深空探測領域,成為探月團隊的一員,我感覺非常幸運。

  《人民畫報》:常有人探討如果外星人真來了地球怎么辦。您如何看待地外文明和來自宇宙的神秘信號?

  張熇:我相信人類不是宇宙中唯一的智慧生命,應該還有比我們更智慧的生命存在,雖然我們暫時看不到他們,也不知哪天會和他們相遇。

  面對外星人,人類還是要謹慎一些,相信外星人最初對人類也會持一種觀望的姿態。相遇之時,希望彼此沒有太多的敵意,能夠友好地在宇宙中和諧相處。

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    張熇從2001年就加入了中國探月工程論證組,此次擔任航天科技集團五院嫦娥四號探測器系統項目執行總監。 攝影 陳建/人民畫報

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    張熇帶領研制團隊實時監測嫦娥四號月背工作情況。 攝影 渠麗霞

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    任務成功后,張熇在項目流程大圖上畫上圓滿的句號。 攝影 渠麗霞

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    發射宣布成功后,張熇與設計師們歡慶勝利。 攝影 渠麗霞

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