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。
吴伟仁说,在落月过程中,嫦娥四号绝大部分继承了嫦娥三号月面软着陆技术,整个过程约700秒,全部依靠探测器自主完成,地面可通过中继星看到降落过程,但不实施干预。
更困难的是,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,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”。
月背盲降:因地形崎岖选择垂直降落
昨天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,为了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”。
规避风险:探测器能自我诊断与重构
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。
大脚掌着陆:主副腿缓冲巨大冲击力
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“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,经历了成千上万次试验,进行了上万件材料的筛选,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。