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专家详解"嫦娥一号" 卫星八种探月"武器"(图)

  一年之内,嫦娥一号卫星将携带精心设计的8种有效载荷,围绕四大科学目标,从200公里的上空对月球进行科学考察。

  在距离地球38万公里之遥的深空环境中,这8种有效载荷是如何工作的?所探测的数据是否可靠?日前,记者采访了嫦娥一号卫星有效载荷总指挥、中国科学院空间科学与应用中心主任吴季,请他解疑释惑。

  装备:CCD立体相机、激光高度计

  任务:探测月面地形地貌,获取全月球立体图

  首次深空探测能否顺利完成使命,引人关注,有效载荷由此“登台亮相”。


  所谓有效载荷,就是执行科学任务的仪器装备。嫦娥一号卫星(以下简称“嫦娥”)上搭载的8种载荷总重130多公斤。为了准确拍得月球全球的三维立体照片,“嫦娥”携带了两台专门的仪器:CCD立体相机和激光高度计。

  据吴季介绍,“嫦娥”本身不大,除去燃料只有1000公斤多一点。为保证卫星的飞行安全,卫星装有太阳能电池板、姿态控制等设备,这些就要占去80%多的卫星资源,因此留给有效载荷的只有100多公斤重量和100多瓦功率的卫星资源。在这样的资源条件下,为了尽可能多地完成科学任务,有效载荷就要尽可能的小。CCD立体相机和激光高度计两台仪器,加起来体重不到30公斤。

  由于针对的是月球全球性探测,反映其地形地貌,CCD立体相机的分辨率设为120米,虽然不是特别高,但完全满足科学探测的要求。

  设计相机的工程师们还动了脑筋,使这台CCD立体相机可以前视、后视和正下视,一次扫过去,能够同时获得3幅图像,等于3台相机的作用。而且,除了前视图像和后视图像可以用来做立体照片之外,正下视还可获得二维平面图像。

  在月球的两极区域,阳光照到月面的角度非常低,有些地方甚至就是大面积的黑暗。为了能够把目前国际上少有拍到的月球极区拍清楚,CCD立体相机上预留了一个曝光时间长达84毫秒的大光圈,但还没用上,因为从目前情况来看,用20毫秒的光圈拍月球高纬度已经足够清楚。

  “从目前CCD立体相机的工作状况看,获得的图像质量很好,层次丰富,科学家们相当满意。”吴季说。

  然而,光用CCD立体相机拍到的月球立体图还有缺憾:山高几丈、谷深几许并非那么准确,而且到了黑暗处就会留下空白。这时候就该激光高度计出场了。

  激光高度计每10秒打一束激光到月球表面并接受反射光,使得月球上间隔十几公里就可以“有”一个点,而且分辨率精确到5米,通过计算激光返回时间和卫星离月球的距离,就可以算出激光点所处的月球表面高度。

  激光高度计好用,但却不好安装。最大困难就是如何把两个光轴对准,一个专门发射波束,一个负责接收。这两个光轴如果装歪了,激光束就有去无回。在安装到卫星的过程中,螺丝拧得紧不紧都会引起光轴位置变化。因此激光高度计是卫星所有设备中第一个安装的,以防止其他设备的影响,并且还需要在地球上模拟零重力安装。

  装备:干涉成像光谱仪、伽马射线谱仪、X射线谱仪

  任务:探测月球表面的元素和矿物成分

  看清楚月球的长相之后,下一步顺理成章的就是要了解月球上分布着什么元素,物质的组成怎么样。要探个究竟,就要用到干涉成像光谱仪和伽马射线谱仪、X射线谱仪。

  吴季介绍说,人眼利用可见光通过颜色去分辨物体,X射线、伽马射线的波长要比可见光短得多,利用这些射线可以用来分辨元素种类。伽马谱仪的主要工作原理就是通过观测月球表面的伽马射线来判断该伽马射线由哪种元素发出以及该元素的丰富程度。为确保它们获得的数据准确可靠,在进入太空之前,这些相关仪器就在地球上做过模拟测试。

  干涉成像光谱仪更像是卫星的一双视力极佳的眼睛,用可见光来看出月球上物质的不同颜色。吴季说,虽然从地球上看,月球以灰色为主,没有太多种类的颜色。但用精密的光学仪器去看,就会有颜色深浅的区别。在专门研究地质化学的科学家眼里,这些颜色的微小区别,就可能代表着地质构造的不同成分。“这也可以为以后月球着陆点的选择提供参考。”

  伽马射线和X射线谱仪都曾有过太空经历,但这次都进一步改进。干涉成像光谱仪在空间应用的比较少,它的优势在于尺寸很小,和CCD立体相机加起来一共才20多公斤,突破了卫星资源的约束。

  装备:微波探测仪

  任务:探测月壤特性

  要探测月壤特性,获得其厚度信息,有许多办法,比如使用雷达来探测。但雷达功耗大,占用卫星资源就多。为此,“嫦娥”携带了一个微波探测仪,用的能量虽小,却可以接收4个频段的微波,来满足精、小、高效的要求。

  微波技术在地球上运用得已经非常广泛。大气中的水汽含量、土壤湿度、海水的盐度、沙漠等干旱地区的面积等,都可以用微波来探测。月球是一个很干的没有水的星球,因此微波可以穿透到比较深层的月表下面。

  吴季介绍说,开始提出用微波的手段来探测月壤时颇有些争议,微波的4种频段的这4个参数能把月壤厚度评估出来吗?

  “从微波探测仪传回来的第一组数据看,比较乐观。因为4个频段的微波数据都各不相同,体现了各自频段具有的特性,透露出有关月壤的深度信息。既然有信息,就肯定能想办法把它弄出来。现在国内科学家都在努力,希望把月壤的厚度反演出来。”吴季说,微波探月壤厚度是一个创新,没有前人经验可以借鉴。而且微波探测仪上4个频段的接收设备要有一致性,否则很可能影响对月壤深度的判断。

  装备:太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器

  任务:探测地月空间环境

  任何一个航天器到了新的星球,必然要了解所处空间的未知环境,来保护自己的安全。“嫦娥”上的太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器就是专门用来获取地月空间环境信息。

  “太阳高能粒子探测器的主要目的是为了探测太阳爆发时候的高能粒子,但现在是太阳活动低年,还没有遇到爆发,这台仪器还不曾用上劲,最近看到它的数据比较平静。”吴季说,高能粒子探测器还和卫星的安全有关,因为当太阳爆发时会“抛”出大量高能粒子,这些高能量的带电粒子会威胁卫星安全。

  “太阳风”则是太阳发出的低能量粒子流,它被月球这样的星体阻挡后怎么分布,是非常有意思的一件事。科学家认定,月壤中丰富的氦—3元素主要是太阳风带来的。经过长期的日积月累,吹向月球的太阳风在月球表面的土壤层积累了丰富的氦—3。

  “一年下来,"嫦娥"可以对月球全球周围的"太阳风"进行系统的探测。”吴季说,太阳风离子探测器目前已经有了很好的数据,许多国外的科学家对之很感兴趣,并且愿意拿他们的星际数据来交换。

  “有效载荷对月球进行科学探测,不仅能够获得我们盼望已久的第一手月球科学数据,而且还能为人类的空间科学做出贡献。”吴季说,“比如月壤厚度、氦—3评估的结果我们到时候会向全世界公布,所有人都可以获得这些有关资源的信息。”

  他认为,“嫦娥”是科学卫星,对我国的空间科学发展能起到巨大的带动作用,可以让我们更好地探索、实验新技术。反过来,空间科学的发展又能够带动航天科技的发展,成为航天科技应用发展的源头动力。(记者余建斌)
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