新角度首张地月CP帅照,浙大团队助力人类首次打卡月背!

来源:浙江大学2019-01-04 查看数0

2019年1月3日10点26分,中国嫦娥四号探测器成功着陆于月球背面南极附近艾特肯盆地中的冯·卡门坑,这是人类探测器首次在月球背面软着陆。

世界第一张近距离拍摄月背影像图

为此,浙大人作出重要贡献。其中,嫦娥四号探测器降落月球背面时的“第一眼”,由浙江大学徐之海教授团队设计的镜头拍摄。徐之海团队还为“鹊桥”号中继星研发了光学相机系统。

而探测器的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器则由浙江大学校友王建宇院士团队研制。

嫦娥四号降落月球背面时的“第一眼”

由浙大团队设计的镜头拍摄

由徐之海教授团队完成的嫦娥四号探测器降落相机光学镜头成像清晰,表现优异,成功记录了整个降落过程中的月面视频画面,为保障首次月球背面软着陆成功作出重要贡献。

2019年1月3日拍摄的月背影像图

嫦娥四号降落过程中,光学镜头就像是嫦娥四号观看月球的“眼睛”。这只“小眼睛”帮助嫦娥四号判断月球表面的地貌情况,避开那些“危险地带”,选择安全的着陆位置。

要知道,月球表面有很多斜坡和陨石坑。嫦娥四号要想在月球的“刀山火海”中平稳地着陆,这只“小眼睛”作用巨大。

嫦娥四号降落相机光学镜头

为了保护好这只“小眼睛”,使它能在太空中正常地工作,徐之海团队做了不少努力。

徐之海表示,太空环境中充斥着各种辐射,所以“小眼睛”的镜片采用的是防辐射玻璃。它的镜筒是由钛合金制作的,钛合金是一种高强度、高刚度的轻质金属材料,同时它具有和玻璃相似的热膨胀率——这保证了在太空极端环境下,“小眼睛”的高清晰成像质量。

除此之外,因为在地面组装的镜头内部会有空气,进入到太空的真空环境中,镜头里面的空气会和外部环境形成压差造成变形,导致像质下降,甚至破坏。为此,徐之海团队在镜头上专门设计了透气孔,使镜头的内外部环境达到平衡,保证可靠性。

徐之海(左)与我国探月工程总设计师吴伟仁(右)的合影

徐之海团队部分成员(前排左起冯华君教授、徐之海教授、岑兆丰教授,后排左起蒋婷婷助理、边美娟工程师、李奇副教授、李晓彤教授、陈跃庭副研究员)

徐之海团队部分成员

在中继星上的光学相机系统

拍摄了地月合影

除了降落相机,徐之海团队还为“鹊桥”号中继星研发了光学相机系统。“鹊桥”号中继星为嫦娥四号的着陆器和月球车提供地月中继通信支持,该相机系统也是“鹊桥”号中继星上唯一的相机系统。

中继星“鹊桥”开展通信中继和科学技术试验(模拟图)

中继星光学观测相机系统中检测相机拍到的地月及中继星天线画面

中继星光学观测相机系统中双分辨率相机拍摄的画面

“这套光学相机系统由三部分组成——双分辨率相机、天线监视相机、相机控制器。”徐之海说,“这套相机系统小于3公斤,相比于此前其他方案中15公斤的相机系统,为搭载其他有效载荷省出了不少配重。”

天线监视相机是非常重要的另一只“眼睛”。它可以看到“鹊桥”号中继星天线的展开状态,而天线能否正常工作决定着嫦娥四号与地面能否顺利通信。

嫦娥四号中继星双分辨率相机

双分辨率相机也是具有挑战的一个部分,它的概念由徐之海团队提出。

由于在太空中存在“冷焊”现象(空间环境中精密配合的运动部件粘结在一起),变焦镜头至今无法在星载环境中可靠应用。

在太空环境中,为满足在一个相机中同时实现高分辨率和大视场成像的需求,又要避免使用变焦镜头的难题,所以徐之海团队创造性提出双分辨率相机的设计理念,通过一次成像得到两张照片,实现了“大场景”与“大特写”的同时成像。

这个相机还首次从拉格朗日L2点拍摄了“地月合影”,从这个位置望过去,地球是月球的约一半大小。

2018年7月14日在地月拉格朗日L2点附近首次获取了地月合影及地球、月球特写图像

徐之海说,“鹊桥”号中继星是世界首颗运行于地月拉格朗日L2点的通信卫星。这个位置是地球和月球的引力平衡点,因此,“鹊桥”号需要很少的能量便能在此长时间运转。

中继星光学观测相机系统后续还将在2019年下半年择机开展拓展成像试验,期待届时能有更精彩的表现。

校友团队的成果

同样功不可没

除了徐之海团队,浙大校友王建宇院士团队,同样贡献突出。

浙大2017级本科新生开学典礼,王建宇作为校友代表发言

嫦娥四号探测器上装备的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器,在落月过程中必不可少,堪称确保探测器安全着陆最关键、最核心的技术装备。有了它们,探测器就能准确地知道自己每时每刻距离月球表面的距离,并且清楚地看到着陆区域的地形地貌,从而寻找到安全的着陆地点。

负责研制这两样设备的正是中科院上海技术物理研究所王建宇院士团队。王建宇是浙江宁波人,本科毕业于原杭州大学物理系。

那么,先进的激光遥感技术是如何帮助嫦娥四号顺利降落在月球背面的呢?

激光测距敏感器仿佛一台高性能“倒车雷达”。在嫦娥四号着陆器距离月面15千米高度时,激光测距敏感器就开始工作,每秒向月面发射两次激光脉冲。通过测量月面回波脉冲信号与激光发射脉冲信号的时间间隔,获得嫦娥四号着陆器相对于月面的精确距离,测量精度0.2米之内。“在着陆器下降到距月面约8千米时,姿态发生调整,激光测距敏感器也将随之切换测距方向,直到完成平稳落月。”王建宇说,嫦娥四号激光测距敏感器的激光光源、探测器、高压电源等核心元部件均为国产自研,并进一步提高了系统的集成化、轻量化程度。

激光三维成像敏感器则帮助嫦娥四号解决“往哪里落”的问题。“虽然预定着陆区艾特肯地区较为平坦,但表面仍然存在高坡、陨石坑、大石块等诸多不确定因素,所以精确避障极为重要。”王建宇说。嫦娥四号到达距月面100米的悬停位置时,激光三维成像敏感器开始工作:采集月面的三维图像,将高于15厘米的石头或低于15厘米的坑识别出来,确保探测器降落在安全区域。如此精细的扫描成像工作,在短短几秒内就完成了。值得一提的是,我国是几个航天大国中较早地把激光三维成像技术用于月面着陆的,目前应用已非常成熟。

此外,王建宇团队还为首次到达月球背面的月球车装上了“红外眼”——红外成像光谱仪。月球车走到哪里,这双“眼睛”就看向哪一片月面。通过获取精细光谱信息,这台仪器可以帮助科学家识别月壤及月面岩石的成分。王建宇介绍,嫦娥四号红外成像光谱仪不仅集成最新遥感技术,还成功实现轻小型化,重量不到6千克,综合性能优于欧美同类产品。

浙大智慧闪耀月球,

为浙大人喝彩!!!

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