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如何在地球接收38万公里外的月球“悄悄话”?

发布时间:2023-10-08 00:00:00   来源:军事   阅读:

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转自:千龙网

2030年前实现载人登陆月球,为实现这一目标,我国科研人员正在研制新火箭、新飞船、新的载人月球车等一系列新装备。这些新装备各自承担什么任务、有哪些本领,未来载人登月的方案流程是怎样的?我们一起了解一下。

用于载人登月的新一代载人运载火箭被命名为长征十号,负责将月面着陆器和登月飞船送入地月转移轨道,它高度约92米,起飞质量约2187吨,起飞推力约2678吨,预计在2027年具备首飞条件。

航天科技集团一院原长征二号F运载火箭总设计师容易:目前各项研制工作正在有序快速推进过程中,芯级直径5米,捆绑的是5米直径的助推器。所以它未来的奔月轨道的运载能力是27吨,比长征五号还要提高3倍多。

新一代载人飞船:全面升级的新型天地往返运输飞行器

新一代载人飞船是在神舟飞船基础上全面升级研制的新型天地往返运输飞行器,采用模块化设计,由返回舱和服务舱组成。到达月球后,将由月面着陆器将航天员送达月面。

月面着陆器:可搭载两名航天员往返

月面着陆器是我国全新研制的地外天体载人下降与上升飞行器,由登月舱和推进舱组成。主要用于环月轨道和月球表面间的航天员运输,可搭载2名航天员往返,并可携带月球车和科学载荷。

载人月球车:两名航天员可乘月球车开展月球采样

月面着陆器到达月面后,航天员将乘坐月球车,在月面开展工作。载人月球车重约200公斤,可搭乘两名航天员,航天员将乘着月球车在10公里的范围之内开展月球采样。

载人登月初步方案:两次发射两个航天器在环月轨道交会对接

目前,我国载人登月的初步方案是:首先发射月面着陆器,月面着陆器在环月轨道停泊等待,然后再发射新一代载人飞船,飞船与着陆器在环月轨道交会对接。航天员从飞船进入着陆器。

载人登月初步方案:航天员进入月面着陆器落月开展月面活动

着陆器与飞船分离后下降到月面,航天员开展月面活动。之后,航天员乘坐着陆器起飞上升与飞船对接,航天员进入飞船。飞船与着陆器登月舱分离后,返回地球。

亚洲最大单口径天线

接收月球“悄悄话”

月球离我们有38万公里的距离,大约相当于九个半地球赤道周长的长度,“玉兔二号”从月球上获取的信号在传回地球的过程中,会随着距离的变大而衰减。

为了捕捉到这些珍贵而又微弱的信号,研制团队用上了一个亚洲最大的天线。这个天线可不是一根线,而是一口"大锅"。

如何在地球接收到月球传回来的数据呢?靠的就是这一台像“锅”一样的设备,它叫做70米口径全可动天线。虽然看起来像一口锅,但这样的构型能帮助它更好地收集数据。

中国科学院国家天文台工程师薛喜平:咱们现在所在的位置就是国家天文台武清地面站,它(天线)是方位360度可动,俯仰90度可转动,也就是说只要是地平线往上的目标,我们都可以观测到。月球接收回来的图片、视频,还有很多的科学数据,都会用到这个天线。

这口“锅”这么厉害,那“锅”里面长什么样?今天我们就一起走到“锅”中看一看。

70米口径天线面积相当于10个篮球场

在这个70米口径天线的内部,第一感觉就是非常大。天线所采用的反射面板,它的面积有4560平方米,相当于10个篮球场的大小,天线的高度有72米,重量有2700吨,主要承担探月、探火等深空探测任务的数据接收。

中国科学院国家天文台工程师薛喜平:咱们天线采用主反射和副反射联合起来工作的一个方式,现在咱们脚踩的叫主反射面,头顶圆盘叫副反射面。卫星下来的信号首先是射到主反射面,再汇聚到副反射面,然后副反面再反射到馈源,就进到我们传输设备里头,是二次反射。

为什么要用几次反射来收集这个数据?

二次反射主要是为了提高接收效率,还有一个好处就是可以把馈源这个设备做在下面,如果是一次反射,这一堆设备我都要挂在天上,这样负担就比较重,而且设计比较困难。

馈源什么样?

中国科学院国家天文台工程师薛喜平:我们现在在天线的馈源舱,锥状的叫馈源喇叭,然后信号进到制冷接收机。为了提高天线的接收灵敏度,它里边充的是氮气,温度只有零下265摄氏度,降低我们天线设备自身产生的噪声干扰。然后通过这些电缆传给底下机房。

遥远的数据已经接收到了,现在就要将这些数据变为看得懂的信息。在天线的旁边就是数据处理的工作室。

中国科学院国家天文台工程师薛喜平:这个是用来做信号判断的,凸起的地方就是信号所在的地方。整个工作流程都是全自动化运行的,天线根据自己的时间节点去控制各个设备,达到它正常的工作状态。

从月球接收的数据

如何变成月面照片?

38万公里外的信号接收成功了,但这还只是其中的一个环节,下一步就是要把我们看不懂的数据,解码变成看得懂的月面照片。数据是怎么变成照片的呢?我们一起去处理月球科学数据的国家天文台,一探究竟。

这张照片是玉兔二号月球车在月球背面工作的第59个月昼拍摄的,这些陨石坑是科学家最喜欢的月球地貌之一,陨石坑还可以挖掘出月球深部物质。从照片中可以看出来,如果陨石坑边缘附近存在颗粒状的凸起石头,就说明这个陨石坑还没有被完全风化,形成的年份比较新,月球车可以去分析新鲜的岩石成分,来获得科学家感兴趣的科学数据。虽然照片看着非常清晰直观,但这些照片最初接收到的状态却是一串串数字。

武清站从“大锅”接收下来全是数字?

嫦娥四号任务地面应用系统主任设计师付强:是这样,我们把各载荷数据从这个数据流里面提取出来,然后形成科学数据,我们进一步处理之后,就会形成各类的图像数据和各类的探测数据。它不一定能真实地反映它的色彩,我们在处理过程中是要对这个图像进行色彩的一系列校正。

这是有一定的工作量的,现在嫦娥四号从工程进展上一直都很顺利,我们可以拿到大量的图像,所以说每天都要面对这些新的数据。

这张图在细部上的呈现都非常清晰,但其实这张图只有300多兆大小,和我们现在的手机拍摄的照片相比分辨率略显不足,但是要从38万公里之外的月球来处理这样一张图片,它这个过程还是非常复杂的。

嫦娥四号任务地面应用系统主任设计师付强:我们在轨探测的时候,玉兔二号巡视器在同样的位置环拍了两圈,共获得了56幅的图像。我们把它拼接完之后,形成这样一个300多兆的数据大小的图像,但其实这个数据在我们下传的时候,需要将近一天到两天的时间才能把它获取到地面上。

我们现在是工作到59月昼了,正常情况下,用我们的全色(黑白)图像就够完成移动和探测目标的选取等飞控工作。彩色的图在轨实施的代价会更大一点,走到比较关键的一些位置的时候,我们才会用彩色图环拍。

新的鹊桥未来会不会更加方便?

嫦娥四号任务地面应用系统主任设计师付强:我们的鹊桥二号更多的是多出一条路,对于我们来说的话,有另一条路的话是更可靠一些。月面地形是相对比较复杂的,我们需要图像去规划它的移动路线。

第二个就是我们要在这个图像上选择一些我们感兴趣的科学探测目标,然后控制我们的车移动到我们的目标附近,对这些目标开展一系列的科学探测,发现更多的科学成果。

神奇的月壤竟是“五彩斑斓”的

除了得到从月球发回来的照片,在2020年,探月工程通过嫦娥五号任务,从月球取回了1731克月球样本。一些高校和科研机构申请了月壤用于科学研究,月壤申请基本上以克为单位,有时候甚至是按毫克计算。通过近3年的研究,取得了一批科研成果,揭开了更多月球的神秘面纱。让科学家心心念念的月壤,究竟长什么样,研究月壤,又是在研究什么呢?

嫦娥五号从月球表面取回的月壤样本,从表面看它是黑色的像煤渣一样的颗粒,但是如果把它放到显微镜下的时候,它就会变成五彩斑斓的颜色。

嫦娥工程地面应用系统主任设计师周琴:月壤就是指颗粒粒径特别细的一些小的岩石或者矿物颗粒。这个颗粒我们就可以看到它是由不同的矿物组成的,像这种棕色的,我们一般认为它就是辉石,这个颜色稍微深一些的,像金属光泽的这种是钛铁矿,颜色稍微浅一点,有可能是长石,像棕黄色的一般都是橄榄石。

因为嫦娥五号返回的样品90%以上都是本地玄武岩组成的,所以我们看到这个里面的不管是岩石类型或者矿物组成来说的话,是相对比较单一的。

这种玄武岩在地球上有吗?

地球上也有玄武岩,但是跟它的成分组成不一样。地球和月球的自然环境是不一样的,因为在月面上没有氧气,氧化还原的状态不一样,但是我们从岩石的结构上面来看的话,有一定的相似性。

这些在地球上都统称为玻璃吗?

实际上这个里面玻璃含量也挺高的,玻璃也分很多种,有一种是火山玻璃,还有撞击玻璃。撞击的话就是有一个外力撞到这个月面,提供的热量足够多的话,岩石熔融甩出来的熔浆就叫撞击玻璃。因为月面是真空,火山喷发的程度会比我们地球上更剧烈,岩浆甩到空中以后,就相当于一个快速淬火冷凝的过程,这种就叫火山玻璃,它反映的才是月幔深部的信息。

月球有哪些资源是我们可以进行利用的?

我们研究月球样品肯定是想研究月球本身的演化历史,同时也有利于我们更了解月球里面到底还有什么样的资源,有哪些矿物或者是哪些元素可以做资源开发或者资源开采。

截至目前,科研人员通过对数十万个平均大小仅10微米的月壤颗粒开展了矿物学研究,发现了我国首个月球新矿物——嫦娥石。

走!去神秘“金库”找月壤

从月球取回的土壤,可以帮助我们更加了解月球,珍贵程度不言而喻,为了保存这些珍贵的土壤,在国家天文台,有一个神秘的、堪比“金库”的实验室,嫦娥五号取回来的月壤就在这里保存。月壤的保存不同于一般的实验样品,分类、编号、气压等环境要求都非常严格。

月球样本实验室分类保存细致编号

在国家天文台的地下月球样本实验室,科研人员正在对嫦娥五号从月球取回的样品进行分类保存。

嫦娥五号在月球取样的时候,使用了两种方式。一种是铲取,把表面的月壤铲到装置里面。另一种是钻取,通过钻头来取月壤深部的样本。

比如说CE5C代表的意思就是嫦娥五号,C就代表它是铲取的意思。

下面我们可以看到分1、2、3、4、5、6,后面还有7、8、9、10,一共是11段当时钻取的样本。

嫦娥工程地面应用系统主任设计师周琴:它全都分好了,你看我们下面是10个,上面那个瓶子也是10个,每一罐都是10克的样品。

环境要模仿月表,月表就是无水低氧,这里面充的都是高纯氮气。你看这手套露出来,它里面氮气的压力比外面压力稍微高一点,实际上也是防止空气进去。主要是想让它在比较好的环境下能够存的时间长一些,这样后续科学家做科学实验的时候,不会因为地球环境对它造成样品的污染,导致去错误地解读数据。

目前的研究方向主要集中在哪些方面?

研究方向非常广,除了做传统的岩石矿物、做化学成分的这些研究以外,还有要做生命的、做材料的,要把它纤维化,然后要去做和织布有关的材料研究。

外界申请月壤样本的标准是很严格的,它借出去的时候是要称一遍重量,返还的时候也要称一遍重量,不光要控制它的重量,还要注明样品它可能之前做了哪些实验,我们都要分开编号。这样大家再去申请的话,就知道这个样品之前的实验会对它有什么影响。

所以样品现在越分越多,相当于一个编号下面再来一个子编号,有可能再来一个子编号,所以就越来越多。

一个柜子里面的样品是原始的样品,是没有接触过大气的。他们所有申请的原始样品都是从这个柜子里面往外走的。返还的样品全都在另一个柜子里,这个柜子里的样品都是外借完之后回来的样品,就不会再跟最原始的样品再做接触,样品有的可能是接触过大气了,有的可能接触经过一些化学成分的分析。

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