啟動，月背科學探索
——“嫦娥四號”關鍵科學載荷功能及研制亮點解讀

文/郭倩

▲ 嫦娥四號著陸器

1月3日，“嫦娥四號”成功實現(xiàn)了月球背面軟著陸。在月球這個不為人知的另一面，“嫦娥四號”將一一進行月基低頻射電天文觀測與研究、月球背面巡視區(qū)淺層結(jié)構探測與研究等，揭開月球背面的神秘面紗。

而實現(xiàn)這些目標的關鍵，就是“嫦娥四號”上的核心器件——探測器有效載荷。

填補低頻射電觀測之空白

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

“月球背面屏蔽了地球的無線電干擾、閃電和極光無線電發(fā)射，月夜期間還屏蔽了強烈的太陽射電輻射，因此月球背面被認為是開展低頻射電天文學觀測的絕佳地點。”嫦娥四號探測器有效載荷分系統(tǒng)技術負責人薛長斌表示，歐空局的科學家已系統(tǒng)性地提出了在月球背面開展低頻射電天文觀測的計劃（FARSIDE）。

“低頻射電天文探測這一目標是天文學家夢寐以求的，可以填補射電天文領域上在低頻觀測段的空白。”中科院月球與深空探測總體部主任鄒永廖說。

低頻射電天文觀測由兩個載荷完成，一臺在著陸器上，由中科院電子學研究所研制；一臺在中繼星“鵲橋”上，由中國與荷蘭合作研制。

▲ 月表中子與輻射探測儀的傳感頭和電子單元

▲ 嫦娥四號月球車搭載的中性原子探測儀

中科院國家天文臺研究員、國際載荷（中-荷）低頻射電探測器中方首席專家平勁松介紹，從工作模式上，中國載荷通過太陽能通電，月背為白天時，中方載荷工作；夜晚時，中繼星上的載荷進行工作。在探測目標上，中荷合作的載荷可以探測地球兩極的射電爆發(fā)，中方載荷可以屏蔽地球與太陽的影響探測更遠的目標。

想要實現(xiàn)低頻射電觀測這一目標并不容易。在這一個“首次”的光環(huán)背后，是一大批科學家、工程師千萬次的嘗試和探索。

低頻射電探測器是非常敏感的設備，著陸器本底的輻射噪聲信號也會對低頻射電探測器產(chǎn)生影響，會對實現(xiàn)低頻射電探測的科學目標帶來風險。

經(jīng)過研制團隊長時間努力，通過采用增加一路短天線接收通道的措施，實現(xiàn)了國內(nèi)首次在空間探測領域采用天線對消技術進行強本底噪聲干擾抑制，實現(xiàn)了遠場微弱低頻射電信號測量。

另一方面，探測器有效載荷分系統(tǒng)的集成度很高，通過一臺載荷電控箱實現(xiàn)了多臺有效載荷的供配電、過程控制及數(shù)據(jù)處理，實現(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”開啟了它的新使命。它在月球科學研究方面，將有望為人類帶來新發(fā)現(xiàn)、新理論、新學說。

揭開月背自然環(huán)境之謎

宇宙輻射、太陽風在月球表面的環(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)成分的太空風化作用是怎么樣的？

在深空中，宇宙粒子輻射無時無處不在，航天器的登陸會受到粒子的損傷和影響。嫦娥四號著陸器上還搭載著月表中子與輻射探測儀，它的核心目標是測量月球表面粒子基本輻射情況和危害程度。從更深遠的角度來講，這一舉措將為月球的開發(fā)和載人登月作鋪墊。

“從數(shù)據(jù)意義上來說，進行月表中子與輻射劑量測量尚屬國際首次，將會提供寶貴的數(shù)據(jù)資源。”月表中子與輻射探測儀中方首席專家、中國科學院國家空間科學中心研究員張珅毅表示。

月表中子與輻射探測儀可以對日地間太陽風暴粒子加速機制進行研究，同時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。

“通過中子的測量來推斷是否含有水資源是很重要的指標。我們可以在著陸點探測氫含量的多少，更近的觀測將會獲得更佳的數(shù)據(jù)。”張珅毅說。

中性原子探測儀是搭載在巡視器上的一臺國際載荷，由瑞典空間物理所研制，中方參與設備的性能測試，負責交付中方后的相關測試工作，與瑞典方面共同開展科學研究工作。這臺載荷主要對月表的中性原子進行測量。

中性原子探測儀中方首席專家張愛兵介紹，太陽風為帶電粒子，由于月球沒有大氣和全球磁場，因此太陽風可直接打到月表。部分離子會被月表反射并變成中性原子，同時太陽風離子打在月表也會將月表物質(zhì)成分濺射出來形成中性原子。

▲ 月表中子與輻射探測儀測試現(xiàn)場

“隨著探測器的移動，月表的地形地貌和地方時不一樣，太陽風與月表相互作用的結(jié)果也不一樣。”張愛兵說。

中性原子探測儀將在國際上首次實現(xiàn)在月表探測中性原子，通過在月表進行近距離就位探測，獲得精度更高的探測數(shù)據(jù)，幫助科學家進一步深入研究太陽風與月表的相互作用。

張愛兵介紹，有科學家認為太陽風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已久。“我們與瑞典空間物理所合作起于中歐合作雙星計劃的探測二號中性原子成像儀，取得了很好的科學成果，雙方合作順利。之后在中國的火星探測計劃中，雙方再度合作研制了等離子體探測包。”張愛兵表示，本著開放合作的原則，雙方將共享嫦娥四號科學數(shù)據(jù)開展科學研究，共同利用好科學數(shù)據(jù)。

除了國際合作，我國也正在研制國產(chǎn)的中性原子探測儀器，將用于火星探測任務中。