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“嫦娥四号”成功登陆月球背面——怎么供电?
来源:闪亮播报微信公号  发布日期:2019-03-13
  经过三个多星期旅程,中国探测器“嫦娥四号”成功登陆月球背面,成就人类史上第一次。中国这一步宣示了其技术的飞跃,在人类重返月球的竞赛中具有里程碑意义。

  中国官媒新华社发布,周四 (1月3日) 早上10时26分,“嫦娥四号”探测器着陆在月球背面南极的艾特肯盆地 (South Pole-Aitken basin),是人类探测器首次登陆月球背面。

  报导指“嫦娥四号”花了26天,飞越约38万公里后,在周四进入月球表面15公里的准备轨道,以每秒1.7公里的速度开始降落。这台重量超过一吨的探测器到达月球表面100米后识别障碍物和坡度,并选定相对平坦的区域垂直下降,最终降落于冯·卡门 (Von Kármán) 撞击坑内。官方发布指,此次着陆地区是太阳系中已知的最大撞击坑之一,具有研究月球和太阳系早期历史的重要价值。
  中国的嫦娥四号探测器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,实现人类探测器首次月背软着陆。

  降落后一个多小时,“嫦娥四号”把首张月球背面照片传回地球。往后它将通过“鹊桥号”中继卫星的通信系统进行调整,选择时机分离着陆器与巡视器,它也建立了“定向天线高码速率链路”,稳定月球背面和地球的通信。为了解决地球与月球背面的通信问题,中国已经在去年5月发射了“鹊桥号”中继卫星前往月球背面上空的地月L2点。

  这次随着“嫦娥四号”登月的,还包括来自德国基尔大学的粒子辐射探测仪,采集数据研究宇宙射线辐射对宇航员健康的影响。此外,荷兰和瑞典也参与了中国这次登月计划,其中荷兰的科研设备已在去年随“鹊桥号”中继星先行升空。

嫦娥四号探测器动力下降过程示意图

  据媒体报道,嫦娥四号探测器从距离月面15公里处开始实施动力下降,探测器的速度逐步从相对月球1.7公里每秒降为零。

  在6到8公里处,探测器进行快速姿态调整,不断接近月球;在距月面100米处开始悬停,对障碍物和坡度进行识别,并自主避障;选定相对平坦的区域后,开始缓速垂直下降。最终,在反推发动机和着陆缓冲机构的“保驾护航”下,一吨多重的探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区。
  嫦娥四号的能量从哪里来?

  很多小伙伴估计会有疑问,如此复杂的航天科技、如此精准的降落轨迹,嫦娥四号探测器是靠什么来完成一整套高难度动作的? 毫无疑问,答案是电能!是强大稳定的电能供应,支撑着探测器成功着陆,稳定的供能系统也是此次嫦娥四号探月的功臣之一! 如图所示,嫦娥四号探测器由着陆器和巡视器组成,着陆月面后将择机释放巡视器,对月球背面巡视区地貌、矿物组份、浅层结构进行探测,并在国际上首次实现月基低频射电天文观测。
  嫦娥四号探测器巡视器(左)、着陆器(右)、中继星“鹊桥”(上)示意图 从图中可以发现,嫦娥四号探测器两侧张开的是光伏发电板,光伏发电板在外太空以太阳能为能源来源,为探测器提供了源源不断的电能。 在浩瀚无垠的太空之中,光伏发电板如同嫦娥四号的双翼,带着全国人民的期望、向往和骄傲,携嫦娥四号飞往目的地。 作为动力来源,这些高效光伏发电板是探测器维持正常运转的基础。 太空航天器的电究竟从哪里来? 太空航天器所需的电能,一般来自自备的发电站。以载人航天器为例,其发电站有太阳能发电、核能发电、燃料电池供电和蓄电池供电等方式。采用哪种方式供电,要根据航天器要求的用电功率大小、在空间停留时间的长短和使用条件等来决定。 太空航天器需要太阳帆板(即光伏发电板或称太阳翼)和蓄电池协同工作。在光照区,光伏发电板转化太阳能为电能,一边给航天器供电,一边为蓄电池充电。航天器在光照区用太阳能电池发电、供电,在阴影区用蓄电池供电。

  配备光伏发电板的太空航天器。 值得一提的是:此次嫦娥四号的能源供给方式实现了新的科技突破:它采用同位素温差发电与热电综合利用技术结合的方式供能。 之前的嫦娥三号在执行任务时,因为在月夜期间无法获得太阳能,探测器这时完全断电,所有电子设备都不进行工作。而这一次,嫦娥四号探测器却做了特别的尝试,它利用了供热系统来给设备供电。 所谓“同位素温差发电与热电综合利用技术“,也就是用航天器两面太阳翼收集的太阳能和月球车上的同位素热源两种能源供给。当月夜来临,同位素热源将为仪器设备供热,保证航天器在-180℃的环境中不被冻坏,安然度过寒冷漫长的月夜。 新技术:温差式放射性同位素电源 温差式放射性同位素电源,是指放射性同位素衰变时释放的衰变能以衰变产生的粒子和新核素反冲核的动能形式出现,在粒子和反冲核与物质经过多次碰撞后转变为热能,之后再利用半导体的塞贝克效应将热能转变为电能。

  热电效应简单示意图 美国率先对温差式放射性同位素电源进行了研究。至今,美国发射了20多艘航天器,携带了40多个放射性同位素电源。卡西尼号探测器于2004年到达土星,携带的单个同位素电源电功率为285瓦。前苏联20世纪60年代开始空间核电源的研制,早期温差式放射性同位素电源研制使用的放射性同位素是钋-210。2006年6月,中国原子能科学研究院同位素研究所研制成功国内第一个钚-238同位素电池。温差式放射性同位素电源将在太空领域、恶劣环境或一些特殊场合得到大量应用,以保证能源供应。 
  供电系统可靠:对于太空航天器而言,电力系统是一个核心组成部分,它必须能够在极端环境条件下仍然保持极高的可靠性。太空航天器设计上对电源的要求是“一次故障正常,二次故障安全”,即当电源出现一次故障时,航天器完全能够正常飞行,一旦出现第二次故障,就要有足够的电源保证地面上的指令能传递到航天器上,指示航天员操控飞船立即返回地面。

  使用寿命足够长:航天器供电系统不仅必须确保每一件航天器搭载设备的电力使用需求,还必须确保在整个航天器的使用寿命内能持续提供这样的电力支持——可能是几年、几十年甚至上百年。专家表示,供电系统设计的使用寿命必须足够长,因为一旦发生故障,再要想派工程师前去维修显然是不现实的。
  能经受极端环境考验:考虑到太空航天器运行环境的特殊性,航天器电力系统还必须能够在零重力和高真空环境下正常运作,同时必须经受超强辐射环境和极端温度的考验。如果你的探测器打算在金星表面着陆,那边的温度是460摄氏度。而如果你打算冲入木星大气层,那么那里的温度是零下150摄氏度。
  嫦娥四号的黑科技

  除了发电技术外,此次嫦娥四号登月还运用了各类黑科技:
  激光测距

  激光三维成像

  定向天线连接卫星

  两器互拍

  “嫦娥”奔月,伟大创举。
  在星辰大海的征程中,
  中国人再次创造奇迹!
  为伟大祖国航天事业点赞!

  来源:“闪亮播报”综合于新华社、人民日报、国资小新微信以及“闪亮播报”往期内容。

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