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“鹊桥”下顺利完成互拍 此刻嫦娥玉兔眼中只有彼此 “西安慧眼”见证鲜艳的五星红旗在月背闪耀

来源:西安日报 2019-01-12 04:54   http://www.yybnet.net/

嫦娥四号着陆器(玉兔二号巡视器 摄)玉兔二号巡视器(嫦娥四号着陆器 摄)嫦娥四号全景相机正样产品照片 (西安光机所供图)嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图(圆柱投影)。(新华社发 国家航天局供图)

探索浩瀚宇宙,是中华民族不懈追求的伟大梦想。

2019年1月11日,中国探月工程嫦娥四号任务再传捷报,嫦娥四号着陆器、巡视器顺利完成互拍成像,标志我国探月工程嫦娥四号任务取得圆满成功。

15年的探索、38万公里的追寻,中国航天以“探月梦”托举“中国梦”,书写了人类文明发展历程中的惊鸿之笔。

惊艳互拍

娥四号任务圆满成功

1月11日,嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器正常工作,在“鹊桥”中继星支持下顺利完成互拍,地面接收图像清晰完好,中外科学载荷工作正常,探测数据有效下传,搭载科学实验项目顺利开展,达到工程既定目标,标志着嫦娥四号任务圆满成功。至此,我国探月工程取得“五战五捷”。

科研人员根据导航相机拍摄的着陆周围地形信息,对巡视器进行了路径规划,通过“鹊桥”中继星发送了拍照遥控指令。巡视器全景相机对着陆器进行成像,着陆器地形地貌相机对巡视器成像。

经过地面数据接收与处理,16时47分,北京航天飞行控制中心大屏幕上呈现出着陆器和巡视器的互拍影像图。图像清晰显示了着陆器和巡视器周围的月背地形地貌,两器上的五星红旗分外醒目。

嫦娥四号探测器自1月3日顺利着陆月球背面预选区域以来,完成了中继星链路连接、有效载荷开机、两器分离、巡视器月午休眠及唤醒、两器互拍等任务。工程任务圆满成功后,嫦娥四号任务将转入科学探测阶段,着陆器和巡视器将继续开展就位探测和月面巡视探测。(据新华社电)

奔月之路

“嫦娥”完成多个“世界首次”

嫦娥四号探测器在设计之初是嫦娥三号的备份,但正是这个原本的“备份”,实现了人类航天器第一次在月球背面的着陆探测,它在月球背面每一个新的发现都将创造更多的“世界首次”。

截至目前,嫦娥一号卫星圆满完成一期“绕月”使命;二期包含嫦娥二号、三号、四号三次任务。嫦娥二号作为先导星,已成功为嫦娥三号验证了部分关键技术并对预选落月区域进行了重点探测;2013年,嫦娥三号成功落月并开展月面巡视勘察,嫦娥三号着陆器成为了在月球表面工作时间最长的人造航天器。

2014年嫦娥三号任务圆满完成后,国防科工局牵头组织开展了嫦娥四号任务实施方案调整的论证工作。综合考虑国际前沿、科学价值、经济和技术可行性等因素,最终确定了月球背面软着陆和巡视探测的总体方案。月球背面具有独特的电磁场环境和地质特征,特别适合开展低频射电探测等空间天文学研究和月球物质成分探测等科学研究。同时,月球背面着陆探测尚属国际空白,有利于增进人类对宇宙未知奥秘的认知。

嫦娥四号任务于2016年1月正式启动,包括中继星和探测器两次任务。“鹊桥”中继星于2018年5月21日在西昌卫星发射中心由长征四号丙遥二十七运载火箭成功发射,进入环地月拉格朗日L2点使命轨道。

2019年1月3日10时26分,嫦娥四号探测器经历地月转移、近月制动、环月飞行,实现了人类首次月球背面软着陆,开展月球背面就位探测及巡视探测,并通过已在使命轨道运行的“鹊桥”中继星,实现月球背面与地球之间的中继通信。

嫦娥一号CCD立体相机为我国获取了首幅地面分辨率为120m的全月立体图,图像清晰、层次丰富,为当时国际上最完整的全月面图像;嫦娥一号干涉成像光谱仪获得了84%月表面积的清晰多光谱图像,科学家们用该原始数据,成功反演了月表主要矿物分布和铝、镁、钛等元素的含量。嫦娥二号CCD立体相机为我国获取了首幅分辨率优于7m的全月图及月面虹湾地区1.3m分辨率图像,为嫦娥三号落月探测勘察了“落脚点”;搭载于“玉兔号”巡视器上的嫦娥三号全景相机实现了我国首次月表实地高分辨率立体成像,获得了大量科学数据用于月表地形地貌研究,同时获得了着陆器清晰鲜艳的彩色照片,为标志嫦娥三号任务圆满成功的两器互拍提供了保证;月基光学望远镜实现了人类首次月基天文观测,从月面着陆到现在,望远镜一直工作正常,共发回数万张从月面获得的星图,是嫦娥三号获得有效数据最多的载荷,也是唯一还在工作的载荷。

追梦人物

“科苑名匠”装配高精密光学镜头

目前全景相机质量不过650g,一只手便可把其拿在手中。这样一个看似小小的相机的装配,却凝聚着一个团队的智慧结晶。

穿上工作服,在一个密合的“安全屋”内经过“风力清洁”,记者来到高精尖装置的装配车间。团队中负责组装相机的西安光机所系统工程部空间相机装配组组长张建,刚刚获得中国科学院首届十佳“科苑名匠”荣誉称号。几十年来,他装配出来的光学镜头达到数百台套。

高精尖光学设备的装配很不简单。张建的绝活之一,除了能用一双巧手胶合出高精密的光学器件,而且还能够将多个镜片装调到只有十分之一头发丝的精度来。精度太高,以至于设备都无法完成,只能依靠人工调整。在全景相机研发团队中张建及其徒弟就担任了相机的组装工作,其中就有获得西安市首届“十佳工程师”的张学敏博士。相机的组装工作十分困难,精度要求极高,六个镜片要安装到同轴镜框上,间隔为头发丝的六分之一,同轴度是头发丝的十分之一,同时镜面里面不能有任何灰尘,不然将极大影响相机的成像质量。

张建介绍,有一次相机已经交付用户,但在最后的测试阶段发现图片上出现了黑点,连夜送回西安后,装配组五个人用了两个白天三个夜晚将相机完全拆开,用放大镜甚至显微镜一点点检查,最终发现一个螺孔有微小金属碎屑掉落,找到了原因,改进了结构,这就叫做“归零”。“航天深空探测容不得一丁点马虎,看似小问题在天上就是灾难性的,我们必须细心再细心。”

杨建峰更是从1999年探月工作还未立项就开始论证探月的可实施性开始加入探月工作。目前该研究室主要针对深空探测相机的研发,嫦娥五号、六号搭载的相机目前已经成功交付,火星探测所使用的相机也正在研发。

接下来,西安光机所将紧密围绕国家空间科学工程需求,积极参与国家月球探测后期工程、小行星探测、木星探测等深空探测领域工程任务规划,助力我国在深空探测领域不断迈出新步伐。

西安智造

古城“慧眼”看清月背每一寸土地

2019年1月11日16时47分,北京航天飞行控制中心大屏幕上呈现出嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器的互拍影像图。图像清晰显示了着陆器和巡视器周围的月背地形地貌,两器上的五星红旗分外醒目。中国科学院西安光学精密机械研究所(以下简称:西安光机所)研制的全景相机让全世界人们看到了鲜艳的五星红旗随中国制造的探测器在月球背面闪耀。

嫦娥四号全景相机就是嫦娥的“眼睛”,它肩负拍摄着陆器彩色照片的重任。两台完全一致的相机安装在巡视器桅杆上,宛如人之双目,通过类似人眼“双目立体视觉”原理,实现对巡视区月面的立体成像;依靠桅杆的左右旋转和上下俯仰,实现大视场和上下大范围的全景成像,再通过图像拼接及立体反演,得到月面巡视区的全景三维立体图像,实现巡视区月表的三维光学成像、地形地貌研究、撞击坑调查与研究、月球地质构造解析和综合研究的科学目标。

嫦娥四号全景相机具有黑白和彩色两种成像模式,可实现从巡视器脚下到月球边际无穷远的清晰成像,并且在近距离观测时可实现毫米量级的空间分辨率。全景相机拍摄的图像也将对巡视器上其他载荷的探测起到指导作用。

嫦娥四号发射当日全景相机研发团队的三位科研人员薛彬、吕娟和葛伟曾亲临西昌卫星发射中心的发射现场进行发射前相机参数的最后确认并全程确保相机工作无误。葛伟表示,“发射时地面震荡空气沸腾,仿佛龙腾一般,真的让人全身热血沸腾,兴奋地都睡不着觉。感觉这些年的努力都是值得的。”

西安光机所成立了月球与深空探测技术研究室,自探月工程一期以来,该团队先后承担了嫦娥一号CCD立体相机和干涉成像光谱仪、嫦娥二号CCD立体相机、嫦娥三号全景相机和月基光学望远镜、嫦娥四号全景相机等有效载荷的研制,圆满完成各项工程任务和科学目标。

答疑解惑

拍出五星红旗的“红色”有多难?

国旗拍出来不能变色,这是普通民众很难想象的挑战,为什么高科技相机颜色会失真?西安光机所月球与深空探测技术研究室主任杨建峰介绍,其原因在于月球环境是真空的,光照条件与地球表面大大不同,所以颜色极易失真。为了能拍出国旗上鲜艳的红色,确保颜色不失真,从真空实验室到户外沙漠,研发团队做了大量的试验,不断调试,终于成功解决了这一难题。

事实上,解决“颜色失真”只是若干挑战中的一个,全景相机上每一个看似微小的技术进步都是不易的,震动、散热……科研团队的挑战非常多,杨建峰介绍,从嫦娥一号CCD立体相机和干涉成像光谱仪、嫦娥二号CCD立体相机、嫦娥三号全景相机和月基光学望远镜到嫦娥四号全景相机,相机及其配套设备的质量实现了从25kg到20kg到650g的巨大飞跃。这背后,是研发团队在材料选择上面从钢铁转变为了铝合金、钛合金以及最新的镁合金等材料的同时不断通过计算机分析以及仿真试验确保了其参数的合格。同时相机上的结构优化也是不可或缺的。经过了一系列辛苦工作最终实现了相机质量的大优化。

再如散热问题,不像之前在卫星上的相机,因为固定不动,所以背着太阳的一面可以帮助散热,全景相机是转动的,怎么解决月球白天超过一百摄氏度的散热问题?团队最后使用特殊定制的散热膜解决了这个问题;利用合理的结构设计和完善的仿真分析解决相机如何防震问题;使用镜头前特殊的耐辐射光学玻璃解决了宇宙辐射问题,通过严苛的真空试验测试解决了真空环境下焦面漂移的问题……研发团队就是通过这一点点的技术攻关不断实现了相机的优化。

本版稿件

除署名外

记者张潇

实习生陈立颖采写

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