我國又有大動作!月球也要有導航系統了?
發布時間:2023-04-19
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近期,中國、美國、俄羅斯、歐空局、韓國、印度等國家和組織相繼發布了一系列探月規劃,其中不乏新穎的亮點,比如建設月球通信導航星座,利用低軌探測器、跳躍探測器等手段尋找水冰資源。新一輪探月活動即將拉開大幕,相比之前大家耳熟能詳的經典探月任務,新任務有何不同之處?預計新任務又會應用哪些新技術、新思路呢?

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打造月球版衛星導航

衛星導航系統在地面導航、通信、資源探測等活動中發揮著重要作用。擁有完全自主的衛星導航系統,是每一個航天大國追求的目標。為了支持在月球表面開展更復雜的任務,更好地對月球進行全面勘測,建設衛星導航系統的國際競爭已經延伸到了月球附近。

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通信導航衛星服務探月任務示意圖

國家航天局曾公布,我國正在論證構建環月球通信導航衛星星座,首次發射可能在 2024 年左右進行。簡單地說,這將是月球版北斗導航系統,可以為未來月面作業提供中繼通信、導航等服務,為接下來更復雜的探月任務提供信息支持。

歐空局同樣啟動了在繞月軌道上建立一個導航和通信衛星網絡的計劃,而在這方面“走得最快”的還是美國宇航局。2022 年 6 月 28 日,美國“頂石”探測器升空,這也是美國近 10 年來首次成功發射月球探測器。作為“阿爾忒彌斯計劃”的先行者,這個只有微波爐大小的探測器被宣傳為“世界上第一顆月球導航衛星”,這標志著美國打造月球版 GPS 進入了實質性部署階段。

可能有人感到奇怪:月球上無人居住,也沒有汽車行駛,對導航的應用需求極少,為什么一定要打造復雜的衛星導航系統呢?

實際上,如果只是探測月球正面的話,那么在近地軌道上運行的導航衛星就能滿足任務需求了。但探測月球兩極和背面時無法借助傳統的導航衛星,人類有必要向月球發射特殊的“信使”。

如今,人類正在邁入月球探索與開發的新時代,月面活動將越來越多。未來諸多無人探測器和載人航天器會成功登月,在復雜的月球表面上行動,邁出更多的“個人一小步、人類一大步”。這些都需要更加精準的導航信息、更加流暢的大容量通信保障,所以建設完善的月球通信導航星座是必不可少的。

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為月球精準“畫像”

近年來,多國提出了對月球勘測軌道器的新需求。由于在低軌道繞月飛行,它可以提供高精度月球數字標高地圖,還能夠輔助勘測可能的著陸點,評估月球上的水和其他資源(包括可以用來發電的太陽光照情況),分析未來航天員可能面對的輻射環境等。

美國宇航局在 21 世紀初出臺“新太空探索計劃”,首個任務就是 2009 年發射月球勘測軌道飛行器。它運行在50公里高的極月軌道上,傳回了全天候月溫圖、月面大地坐標、高分辨率彩色圖片、月面紫外返照率等大量信息資料。未來,美國宇航局還規劃發射核動力月球車,爭取從月背采集更多樣品,由航天員送回地球。

2022 年 12 月 27 日,韓國首個月球軌道探測器“賞月號”成功進入預定繞月軌道。耐人尋味的是,韓國航空宇宙研究院曾希望將“賞月號”的軌道高度調整為300公里,以便早日入軌,卻在美國宇航局堅持下,使軌道高度維持在最初的目標 100 千米。原來,“賞月號”攜帶了美國宇航局的陰影相機,通過使用高分辨率攝像頭觀測月面,重點對月球南極永久陰影區進行精確成像,將幫助“阿爾忒彌斯計劃”選定登月點和水冰痕跡,并服務計劃于 2032 年發射的韓國月球著陸器。

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韓國首個月球軌道探測器“賞月號”

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“賞月號”從繞月軌道上拍攝“地出”

盡管遭遇了“月船 2 號”的失敗,但印度并未放棄探月雄心。今年初,印度空間組織宣布,印度第三次探月任務將在今年底或明年初發射。今年 2 月,印度月船三號著陸器通過了電磁干擾和電磁兼容測試,3 月完成了關鍵振動和聲學環境測試,并增加了更多保障措施。未來,月船三號推進艙將主要承擔中繼通信任務,配合執行環月遙感任務的月船二號推進艙,共同支持重約 26 千克的月球車在月面工作半個月左右,從而為印度下一步探月任務提供更詳盡的第一手資料。

各國更多探月任務正在推進中,普遍希望獲取豐富的月球信息,繪制更精細的“月亮女神畫像”。我國今年將全面推進探月工程四期。未來,“嫦娥六號”將從月球背面采集更多樣品,爭取實現?2000 克的目標。

日本的“白兔-R”已在今年 3 月底成功進入環月軌道,預計 4 月底這款商業航天著陸器將攜帶阿聯酋首輛月球車、日本小型機器人落入月球正面北部阿特拉斯隕石坑,研究月壤、月巖和塵埃運動以及月面的等離子體狀況。

略顯尷尬的是美國的“月球手電筒”,這顆立方星由“白兔-R”搭載,原計劃進入距月面最近約 15 千米的繞月軌道,通過紅外激光器和新型激光反射儀從月球南極永久陰影區尋找水冰資源??上湓跍y試“綠色推進劑”時遭遇故障,迫使“月球手電筒”的任務從繞月飛行降級為月球飛掠。

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飛躍探測月面奧妙多

據公開資料顯示,我國“嫦娥七號”準備著陸月球南極,開展飛躍探測,尋找水資源。而未來“嫦娥七號”“嫦娥八號”將組成月球南極科研站基本型,包括月球軌道器、著陸器、月球車、飛躍器及若干科學探測儀器。此外,國外多家商業航天公司公布了使用跳躍機器人勘測月球表面的計劃。

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未來月球飛躍探測器有望發揮更大作用

那么飛躍探測、跳躍探測是什么意思?這類航天器執行任務有什么獨特優勢呢?

目前,登上外星球的探測器可以分為著陸器和巡視器兩大類。著陸器將巡視器送到外星球表面后,就已經初步完成任務。巡視器可以離開著陸點探測,但受限制較大。傳統的月球車除了在月夜休息外,還需要頻繁避開月面巖石、坑洞、坡道等障礙,行駛過程如履薄冰,不可能“飆車”。

如果月球探測器可以“跳起來”,在月面上反復著陸和行進,無疑能夠顯著提高探測效率和綜合效益。此外,月球表面一些區域情況不明,無法派遣傳統的月球車進行探測,而月球飛躍探測器將在觀測復雜地形時具備獨特優勢。

更進一步,月球飛躍探測器可以直接“飛”進永久陰影區,只需事先利用軌道器搭載的微波成像雷達,對永久陰影區進行高分辨率成像,以便詳細規劃空中與著陸路徑。預計它完成一次永久陰影區探測任務后,就可以回到光照區進行充電,以備執行下一次任務。

當然,為了應對復雜的月面情況,月球飛躍探測器不能完全依賴太陽能,可以考慮提前儲備一些燃料,且在關鍵時刻使用。未來,月球飛躍探測器如果有望利用核能技術,工作持續性和效率必將大幅提升。

即便如此,想要讓月球飛躍探測器和跳躍機器人在月球表面正常運行,仍是不容易的事。畢竟月球沒有稠密的大氣層,探測器頻繁“起飛”難度不小,著陸時緩沖不足,風險更大。為此,科研人員還需要付出更艱苦的努力。

隨著航天技術進步,相信在不遠的將來,我們就能看到探測器以飛躍或跳躍的姿態為月球表面“增添動感”,揭開更多月球奧秘,進而為月球資源探測開發、月球基地建設以及人類長期駐留月球打下堅實的基礎。

放眼未來,探月活動必將在前進或挫折中不斷呈現新亮點,吸引大眾關注。因為它不僅擴展了人類的觀察視野和活動空間,還促進了科技發展和成果應用推廣,在很大程度上引領了前沿科技潮流,更滿足了人類進步的核心動力——好奇心。

來源:中國航天報



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