文/郭倩

▲ 嫦娥四號(hào)著陸器

1月3日，“嫦娥四號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)了月球背面軟著陸。在月球這個(gè)不為人知的另一面，“嫦娥四號(hào)”將一一進(jìn)行月基低頻射電天文觀(guān)測(cè)與研究、月球背面巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)與研究等，揭開(kāi)月球背面的神秘面紗。

而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵，就是“嫦娥四號(hào)”上的核心器件——探測(cè)器有效載荷。

填補(bǔ)低頻射電觀(guān)測(cè)之空白

由于受到地球電離層的干擾，在地球上難以開(kāi)展頻率低于10兆赫茲的射電天文觀(guān)測(cè)，而在地球軌道甚至月球正面開(kāi)展的空間射電天文觀(guān)測(cè)，也受到地球電離層反射和人工無(wú)線(xiàn)電的干擾。

“月球背面屏蔽了地球的無(wú)線(xiàn)電干擾、閃電和極光無(wú)線(xiàn)電發(fā)射，月夜期間還屏蔽了強(qiáng)烈的太陽(yáng)射電輻射，因此月球背面被認(rèn)為是開(kāi)展低頻射電天文學(xué)觀(guān)測(cè)的絕佳地點(diǎn)?！辨隙鹚奶?hào)探測(cè)器有效載荷分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人薛長(zhǎng)斌表示，歐空局的科學(xué)家已系統(tǒng)性地提出了在月球背面開(kāi)展低頻射電天文觀(guān)測(cè)的計(jì)劃（FARSIDE）。

“低頻射電天文探測(cè)這一目標(biāo)是天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的，可以填補(bǔ)射電天文領(lǐng)域上在低頻觀(guān)測(cè)段的空白。”中科院月球與深空探測(cè)總體部主任鄒永廖說(shuō)。

低頻射電天文觀(guān)測(cè)由兩個(gè)載荷完成，一臺(tái)在著陸器上，由中科院電子學(xué)研究所研制；一臺(tái)在中繼星“鵲橋”上，由中國(guó)與荷蘭合作研制。

▲ 月表中子與輻射探測(cè)儀的傳感頭和電子單元

▲ 嫦娥四號(hào)月球車(chē)搭載的中性原子探測(cè)儀

中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員、國(guó)際載荷（中-荷）低頻射電探測(cè)器中方首席專(zhuān)家平勁松介紹，從工作模式上，中國(guó)載荷通過(guò)太陽(yáng)能通電，月背為白天時(shí)，中方載荷工作；夜晚時(shí)，中繼星上的載荷進(jìn)行工作。在探測(cè)目標(biāo)上，中荷合作的載荷可以探測(cè)地球兩極的射電爆發(fā)，中方載荷可以屏蔽地球與太陽(yáng)的影響探測(cè)更遠(yuǎn)的目標(biāo)。

想要實(shí)現(xiàn)低頻射電觀(guān)測(cè)這一目標(biāo)并不容易。在這一個(gè)“首次”的光環(huán)背后，是一大批科學(xué)家、工程師千萬(wàn)次的嘗試和探索。

低頻射電探測(cè)器是非常敏感的設(shè)備，著陸器本底的輻射噪聲信號(hào)也會(huì)對(duì)低頻射電探測(cè)器產(chǎn)生影響，會(huì)對(duì)實(shí)現(xiàn)低頻射電探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)研制團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)時(shí)間努力，通過(guò)采用增加一路短天線(xiàn)接收通道的措施，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次在空間探測(cè)領(lǐng)域采用天線(xiàn)對(duì)消技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)本底噪聲干擾抑制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)微弱低頻射電信號(hào)測(cè)量。

另一方面，探測(cè)器有效載荷分系統(tǒng)的集成度很高，通過(guò)一臺(tái)載荷電控箱實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)有效載荷的供配電、過(guò)程控制及數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了具有故障隔離功能的高可靠緊耦合電子系統(tǒng)。

如今，成功落在月背的“嫦娥四號(hào)”開(kāi)啟了它的新使命。它在月球科學(xué)研究方面，將有望為人類(lèi)帶來(lái)新發(fā)現(xiàn)、新理論、新學(xué)說(shuō)。

揭開(kāi)月背自然環(huán)境之謎

宇宙輻射、太陽(yáng)風(fēng)在月球表面的環(huán)境到底是怎么回事？它們與月面物質(zhì)相互作用的情況如何？包括月面物質(zhì)成分的太空風(fēng)化作用是怎么樣的？

在深空中，宇宙粒子輻射無(wú)時(shí)無(wú)處不在，航天器的登陸會(huì)受到粒子的損傷和影響。嫦娥四號(hào)著陸器上還搭載著月表中子與輻射探測(cè)儀，它的核心目標(biāo)是測(cè)量月球表面粒子基本輻射情況和危害程度。從更深遠(yuǎn)的角度來(lái)講，這一舉措將為月球的開(kāi)發(fā)和載人登月作鋪墊。

“從數(shù)據(jù)意義上來(lái)說(shuō)，進(jìn)行月表中子與輻射劑量測(cè)量尚屬?lài)?guó)際首次，將會(huì)提供寶貴的數(shù)據(jù)資源。”月表中子與輻射探測(cè)儀中方首席專(zhuān)家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員張珅毅表示。

月表中子與輻射探測(cè)儀可以對(duì)日地間太陽(yáng)風(fēng)暴粒子加速機(jī)制進(jìn)行研究，同時(shí)也可以從著陸的艾特肯盆地上，獲得水資源等信息以及氧化鐵含量。

“通過(guò)中子的測(cè)量來(lái)推斷是否含有水資源是很重要的指標(biāo)。我們可以在著陸點(diǎn)探測(cè)氫含量的多少，更近的觀(guān)測(cè)將會(huì)獲得更佳的數(shù)據(jù)?！睆埆|毅說(shuō)。

中性原子探測(cè)儀是搭載在巡視器上的一臺(tái)國(guó)際載荷，由瑞典空間物理所研制，中方參與設(shè)備的性能測(cè)試，負(fù)責(zé)交付中方后的相關(guān)測(cè)試工作，與瑞典方面共同開(kāi)展科學(xué)研究工作。這臺(tái)載荷主要對(duì)月表的中性原子進(jìn)行測(cè)量。

中性原子探測(cè)儀中方首席專(zhuān)家張愛(ài)兵介紹，太陽(yáng)風(fēng)為帶電粒子，由于月球沒(méi)有大氣和全球磁場(chǎng)，因此太陽(yáng)風(fēng)可直接打到月表。部分離子會(huì)被月表反射并變成中性原子，同時(shí)太陽(yáng)風(fēng)離子打在月表也會(huì)將月表物質(zhì)成分濺射出來(lái)形成中性原子。

▲ 月表中子與輻射探測(cè)儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

“隨著探測(cè)器的移動(dòng)，月表的地形地貌和地方時(shí)不一樣，太陽(yáng)風(fēng)與月表相互作用的結(jié)果也不一樣?！睆垚?ài)兵說(shuō)。

中性原子探測(cè)儀將在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)在月表探測(cè)中性原子，通過(guò)在月表進(jìn)行近距離就位探測(cè)，獲得精度更高的探測(cè)數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家進(jìn)一步深入研究太陽(yáng)風(fēng)與月表的相互作用。

張愛(ài)兵介紹，有科學(xué)家認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)氫離子可能與月表中的氧相結(jié)合形成水，這也是研究的內(nèi)容之一。

中瑞雙方航天合作由來(lái)已久?！拔覀兣c瑞典空間物理所合作起于中歐合作雙星計(jì)劃的探測(cè)二號(hào)中性原子成像儀，取得了很好的科學(xué)成果，雙方合作順利。之后在中國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃中，雙方再度合作研制了等離子體探測(cè)包?！睆垚?ài)兵表示，本著開(kāi)放合作的原則，雙方將共享嫦娥四號(hào)科學(xué)數(shù)據(jù)開(kāi)展科學(xué)研究，共同利用好科學(xué)數(shù)據(jù)。

除了國(guó)際合作，我國(guó)也正在研制國(guó)產(chǎn)的中性原子探測(cè)儀器，將用于火星探測(cè)任務(wù)中。