嫦娥工程 【飛羽社】全球首落月背的嫦娥四號,竟發生過燃料洩露?
2026年4月8日
執行人類有史以來難度最大的月面着陸任務
但剛剛升空不久
探測器就發生了燃料泄漏險情
任務還能繼續下去嗎
中國航天團隊的回答是能
大家好
這裏是飛雨社
嫦娥三號成功在月球表面軟着陸
給探月二期工程拿下了一個開門紅
但這也帶來了一個幸福的煩惱
和嫦娥二號當時的情況一樣
作爲備份的嫦娥四號也失去了原有作用
於是中國航天內部開始了一場頭腦風暴
有人提出讓嫦娥四號繼續在月球正面其他位置着陸
甚至有人提出取消嫦娥四號發射
放到博物館進行展出
而葉培建院士與歐陽自遠院士則考慮的更爲深遠
他們提出可以把嫦娥四號送到月球背面去
這個提議已經不能簡單用大膽來形容了
由於潮汐鎖定月球總是以同一面朝向地球
其背面永久地背對我們
因此在英文中
月背也被稱爲Far Side或Dark Side
而不是Back of the Moon
某種意義上也凸顯了月背的偏遠以及探索的難度
一方面任何試圖降落在背面的探測器
都會因爲月球本體的阻擋與地球失去直接無線電聯繫
相當於進入了通信的死區
所以在對月背進行探索前
必須先發射一顆中繼通訊衛星
另一方面
相比正面廣闊而平坦的月海
月球背面的地形也更加崎嶇複雜
撞擊坑密佈 石塊衆多
幾乎找不到一塊像樣的平地
着陸難度很大
因此即便能夠建立通訊
地月間的雙向通訊延遲
也使得地面指揮中心難以給着陸器提供實時避障決策
這就要求着陸器必須具備高度自主性
因此在人類對月球進行航天探測的60年曆史中
還從未有過月球背面軟着陸的記錄
如果嫦娥四號飛往月背的計劃能成功
這就會成爲全球首次
當然嫦娥四號前往月背並非單純爲了摘下這一頭銜
同時也是因爲月球背面有極高的科學價值
例如對南極艾特肯盆地進行研究
南極艾特肯盆地形成於約41億年前
晚期重轟炸時期的一次巨大的隕石撞擊事件
是太陽系最大的撞擊盆地之一
其直徑達到了2400公里
從月球南極一直延伸到南緯16度的艾特肯撞擊坑
這次巨大的撞擊事件很可能完全擊穿了月殼
將月球深處的月曼物質挖掘出來
因此對南極艾特肯盆地進行探測
能夠很好的研究月曼來源礦石的礦物組成
對於人類對月球演化的認識具有極爲重要的意義
這正是嫦娥四號的主要科學目標之一
執行這樣的航天探測任務
沒有充足的經費支撐是萬萬不行的
平時我們過好自己的生活也一樣
但如果手頭緊的話
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回到正題
對於當時的中國航天來說
越被稀爛的地形已經不是什麼大問題
畢竟嫦娥三號任務已經驗證了
自主避障降落系統與着陸器的可靠性
由於嫦娥三四的主要結構與功能基本一致
在此不做贅述
感興趣的觀衆可以自行回顧
本系列的上期視頻
不過要說嫦娥四號一點改動也沒有
那倒也不對
爲了適應越被着陸環境和新的科學需求
嫦娥四號實際上有相當多改進
首先在平臺性能上
嫦娥四號將副外艙中的RHU升級爲了RTG
以在越野期間供探測器上的工程溫度測點
測量越野溫度
這是國內首次研製RTG
積攢了寶貴的經驗
該RTG的尺寸爲230毫米乘以199毫米
乘以260毫米
質量7000克
電供率爲3.2至3.5瓦
而且不同於嫦娥三號中
採用完全由俄羅斯設計製造的RHU
嫦娥四號的RTG爲中方自主設計製造
僅步238星塊爲俄方提供
同時嫦娥四號還優化了電纜網
相比嫦娥三號減重了11.4千克
其次爲了更好的服務閱備着陸
嫦娥四號着陸器上攜帶的降落相機
還新增了一個64比1的高壓縮比模式
以便快速從中繼衛星下影數據
實現準時時動力下降圖像轉發
爲實現閱備低頻射電測量
嫦娥四號還攜帶了低頻射電頻譜儀
預圖二號巡視器則移除了PIXS
以增強可靠性
值得一提的是此次任務中
嫦娥四號於負Z艙
攜帶了一臺重3000克的生物科普載荷
這個載荷由重慶大學制作
計劃在月表運行一個微型生物圈
並在其中設置相機拍攝生物種子發芽
該設備通過光導管
把太陽自然光導入到罐子裏
進行光合作用
設計工作溫度範圍是0到35攝氏度
關於這套設備中攜帶的生物
也經歷了一系列有趣的選擇
最開始我國航天團隊本想選擇魚加蘭藻
因爲工程實施難度較大被取消了
然後換成了線蟲加蘭藻
因爲科普展示需要拍攝生物
而線蟲體型太小沒法展示被否決
第三次選擇了烏龜
蚯蚓仙人掌池子草的組合
因爲烏龜受到動物保護公約限制
池子草不是國內物種而被否決
到了第四次選擇了小麥
擬南戒蜜蜂和蝙蝠鵝的組合
結果熱控控不住
溫度不滿足需求
第五次換成了馬鈴薯擬南戒蠶
結果熱控還是控不住
到了第六個組合選擇了馬鈴薯
駱駝刺小麥蜂羽蘭果蠅的配置
結果最奇妙的是
蜂羽蘭種子居然沒通過力學試驗
最後纔是馬鈴薯棉花油菜擬南戒
果蠅酵母的第七種配置
最後嫦娥四號任務
還攜帶了三臺國際載客
分別是瑞典空間物理研究所的
中性原子探測儀
該儀器安裝於預圖二號巡視器上
德國的月表中子與輻射劑量探測儀
安裝於嫦娥四號着陸器上
荷蘭的低頻射電頻譜儀
安裝於馬上要聊到的中繼星上
計劃與歐洲地面低頻陣列觀測系統
進行干涉測量
相較於探測器主體的輕車熟路
主要技術攻關實際上發生在
中繼通訊衛星部署的過程中
其中又以多約數偶合條件下的
這聽起來很拗口
但我們可以將其理解爲
設計出一條同時滿足這一大堆
互相矛盾互相影響的限制條件的軌道
這條軌道第一
必須滿足通信幾何約數
時刻看見月球背面和地球
第二需要滿足測控約數
保證當衛星飛越我國深空測控站上空時
能有足夠長的可見弧段
來上傳指令下載數據
第三需要滿足能源約數
避免讓衛星進入過長的地影或月影區
否則太陽能翻版收不到光
衛星就會因缺電而凍死
第四需要滿足燃料約數
設計的軌道不能太折騰
否則還沒到L2點
衛星上的燃料可能就用完了
以及發射窗口約數等等等等
多約數偶合的難點在於
當你爲了滿足通訊幾何去調整軌道時
可能會破壞光照條件
爲了滿足光照去調整
有可能導致測控弧段變短
這些因素像一團亂麻一樣攪在一起
牽一髮而動全身
工程師們需要做的就是
利用複雜的數學模型和計算機仿真
在這團亂麻中反覆迭代計算
最終找到一條最優解的軌道
最終嫦娥四號團隊給出的結果是
將衛星部署在
圍繞地月拉格朗日L2點
瑞鄉鎮撫13000公里
週期14天的南黑洛軌道上
在這裏
衛星可以相對穩定地懸停
爲月球背面和地球之間
搭建一條連續穩定的通信鏈路
知道要去哪後
硬件研發也步入正軌
2015年底
雀橋一號中繼星開始研製
該衛星採用CAST500平臺
尺寸爲1.4米乘1.4米乘0.85米
發射質量448.7千克
裝填105千克單組元無水井推進劑
配置4臺20牛軌控發動機
和12臺5牛姿控發動機
設計壽命3至5年
探測器擁有兩片3.8平方米的太陽翼
採用48安時鋰離子電池
GNC分系統採用新敏感器加光纖陀螺
通信方面
由於研製時間緊
採用了單天線同時發射對地束波
和對月束波的方式
以減少電磁兼容的難度
採用一個4.2米口徑的散天線
增益45分貝
是目前世界上最大口徑的
深空通信天線
天線指向精度優於0.2度
對地束船採用S波段
對月束船採用X波段
在不需要對月表束船時
也可用對月X波段波束對地下行
解決了遠距離微弱信號的
快速掃描捕獲
和逼近理論門線解調等關鍵技術等
將轉發距離
從傳統通信衛星的不到4萬公里
提升到45萬公里
通訊速率也較快
除此之外
鵲橋一號上還攜帶了
中山大學研製的
大尺寸空心角錐反射鏡
將在使命軌道上與地面站之間
進行超遠距離的激光測距試驗
2016年7月
鵲橋一號的方案設計完成
到2018年的3月
鵲橋一號正式交付
並完成出場評審
兩個月後的5月21日
長征四號C遙-27火箭點火起飛
飛行約1530秒後
成功將鵲橋一號送入預定軌道
隨後
鵲橋一號展開太陽翼和散撞天線
開始飛向月球
當鵲橋一號經過長途跋涉
來到月球附近時
又一大技術難點出現了
由於中繼星要駁入的黑洛軌道非常複雜
使得其飛行速度
方向
以及月球引力的牽拉
形成了一個極其複雜的力學關係
所以得用到一種
名爲三脈衝軌道捕獲的控制方法
所謂三脈衝捕獲
就是指發動機通過三次精確的
有間隔的點火
實施階段減速
並在點火間隔中進行精確測控
計算下一次減速的數據
來確保衛星精準駛入預定軌道
5月25日21點32分
在雀橋一號到達
111.6公里的進月點附近時
四臺20牛推力器開始進月制動
隨後進入從月球向EML2的轉移軌道
6月14日11時
雀橋一號中繼星最後一次點火
進入預定的南黑洛軌道
捕獲點離設計點僅差20公里
這在宇宙尺度上是相當高的精度
同時在黑洛軌道上爲節省推進器
雀橋一號採用由馬傳令等人
提出的軌道維持和動量輪
卸載聯合規劃的方案
即進行動量輪卸載的時候
需要推力器點火
用推力器點火的噴氣進行軌控
修正了每三至五天進行一次
CDSN和CVN也大規模提高了
對雀橋一號中繼星的測速測距精度
得益於這些措施
雀橋一號的設計壽命
從三年提高到了十年
足以工作至2027年以後
雀橋一號的成功入軌
不僅爲嫦娥四號任務鋪平了前進的路基
更在多個關鍵指標上實現了超預期發揮
這似乎預示着此次任務
將會像嫦娥三號那樣順利完成
然而在欣喜之餘
中國航天的發射團隊並沒有意識到
一場嚴重的危機正在向他們逼近
2018年12月8日2點23分34秒
長征三號B改二搖三菱火箭
從西昌衛星發射中心點火升空
1140秒後將嫦娥四號準確送入
205公里乘以42萬公里
乘以28.5度的110小時奔躍軌道
此次發射使用了組合導航濾波優化技術
使長征三號B火箭入軌精度
從千公里級提高至百公里級
還攻克了氫氧推進劑加註後
延遲發射的處置保障技術
使探月工程發射首次具備了
延遲24小時發射的工程能力
發射段一切正常
嫦娥四號探測器按計劃分離後
完成自檢初始修正和儲箱加壓
但發射後不久
地面指揮中心在12月9日上午突然發現
嫦娥四號探測器的推進劑發生了泄漏
顯形發生在探測器一側的
MMH推進劑箱上
雖然官方沒有披露地面站
如何發現泄漏的記錄
但考慮到探測器推進劑管理
採用PVT法和BK法
我們推測可能是MMH泄漏
導致儲箱內壓力降低
引發氣枕壓力改變
被壓力傳感器記錄下來了
檢測到異常後
飛控果斷髮送指令
關閉下游鎖閥
阻隔推進劑繼續往外泄漏
但仍損失了10-20千克的推進劑
雖然對於2560千克的總加註量來說
這個量看起來似乎很小
但實際情況卻要複雜的多
嫦娥四號和嫦娥三號的動力系統
採用的是甲基井綠色四氧化二氮推進劑組合
混合比爲1.65
也就是說每1000克甲基井
就需要1.65千克的綠色四氧化二氮做氧化劑
如果仍然採用原定推進劑輸送方案
不僅將導致對測相同質量的甲基井推進劑
成爲累贅
還將導致綠色四氧化二氮出現剩餘
成爲死重
這樣算下來
實際的推進劑損失並非10-20千克
而是近100千克
這下問題可就大了
如果不想辦法節省推進劑
同時平衡推進劑偏差
最後只能是在月背上留下一個坑
和以色列創世紀
印度月傳2號
還有日本的白兔2
落得一樣的結果
那麼這種情況下有沒有什麼搶險方案呢
還是有的
其中最難以處理的無疑是多餘出來的氧化劑
由於嫦娥四號上搭載的150牛和10牛滋軌控推力器
混合比都是定死的1.65
最多允許3%上下的浮動
所以無法消耗過多的氧化劑
而液發三六型7500牛變推力發動機
雖然可以採用地面試驗中測試過的極限拉偏工況
通過用1.8的混合比
負氧燃燒平衡一下氧化劑過量的問題
但這會把推力拉到8000牛以上
進入超頻工況
帶來諸多危險
一方面
這種超頻工況依賴地面設置
在實際飛行中難以實際運用
另一方面
還可能導致發動機損壞
或超出探測器GNC滋軌控分系統控制能力
導致探測器翻滾
更何況
即便這種手段可行
其消耗的推進劑也過多
等還原劑氧化劑平衡完
剩下的推進劑也不夠落月了
因此
平衡多餘氧化劑的方案只能擱置
轉而主要解決兩個甲基井儲罐不對稱的問題
而最優解無疑是通過精確控制流量進行調節
想法很美好
但實際上是不可行的
嫦娥3號的視頻中我們介紹過
該系列探測器的燃料供應
是通過向儲罐衝入氦氣加壓實現的
然而
其動力系統管線在減壓閥下游
卻沒有設置任何帶調節能力的調節閥
這倒不是提前沒考慮到調節需求
而是調節閥本身就是一個風險源
爲了可靠性
通常應減少設置
但在當前這個關頭
這也使得嫦娥4號不能精確調整
同時
我們相信很多觀衆都能想到
最簡單的方案
是乾脆把泄漏側假機警儲箱的閥門關掉
僅由未泄漏側的儲箱供應
但這其實也有很多限制
因爲根據我們的估算
這會導致假機警整體供應流量出現較大衰減
僅能支撐滋軌控發動機工作
無法支撐主發動機夜發36的全功率運行
所以儘管這一方案理論可行
卻也需要仔細規劃軌道方案
但無論是多麼大的困難
都難不倒猶如天神下凡的嫦娥4號團隊
經過仔細而大膽的計算
他們對整個落躍過程做出瞭如下調整
首先在進躍制動前
按照原計劃應該進行一次
夜發36發動機的標定實驗
這是因爲該發動機受加工精度
和增壓輸送系統壓力等多個現實因素影響
存在3%上下的推力誤差
需要通過實際載軌標定
以確定發動機額定推力
這一流程與嫦娥3號方案一致
但需要消耗約27千克推進劑
爲了節省燃料
嫦娥4號取消了變推力發動機標定的流程
僅使用8臺150牛推力器
在2018年12月9日16點42分
進行一次點火完成中段修正
這還僅僅是個開胃菜
接下來的操作將徹底挽救嫦娥4號的命運
12月12日
嫦娥4號抵達進躍制動走廊
由於此前液發36發動機未經標定實驗
實際運行推力並不清楚
故爲避免發動機實際性能高於預期
在直接制動進入環越軌道期間
提供過多速度增量
導致探測器撞擊月球
嫦娥4號團隊爲探測器規劃了一條
更加安全的100公里乘以420公里環越機軌道
而不是嫦娥3號的100公里乘以100公里環越軌道
當日16點39分
嫦娥4號的液發36型主發動機開機
開始進躍制動
至16點45分關機
累計爲探測器提供了740米每秒的速度增量
使其進入101公里乘以419公里的環越橢圓軌道
誤差在可接受範圍內
進入環越軌道後
就需要尋找動力下降初始點了
由於嫦娥4號的落區尺寸僅爲嫦娥3號的5%
所以這一流程需要更加精準
而修改過的軌控方案
必然導致軌道參數變化
使得動力下降軌跡出現偏差
因此嫦娥4號在進躍制動中
還附加了5.6米每秒的面外偏航軌控
以調整軌道面
隨後由8臺150牛推力器同時工作
進行兩次降軌
12月15日10點20分第一次降軌開始
推力器提供了3.3米每秒的面外軌控
12月26日5點12分第二次降軌開始
這次面外軌控僅爲0.7米每秒
經過兩次軌控提供64米每秒的速度增量後
嫦娥4號進入81公里乘以123公里軌道
證實在這兩次降軌中
嫦娥4號僅以沒漏的MMH儲箱提供燃燒劑
將不可用的推進劑減少到小於30千克
且均爲平均分佈在兩個對稱儲箱中的MON1
儘可能地拉回了探測器的制芯
救機行動取得初步成果
在進入環越軌道後
嫦娥4號分別在2018年12月14日和12月29日
與鵲橋一號中繼星開展了4次鏈路測試
測試結果表明
鵲橋一號中繼星可實現對着陸器的穩定跟蹤
通過中繼星轉發的着陸器搖測參數和搖控指令均正常
鵲橋一號中繼星返回鏈路首徵捕獲時間約40到50秒
搖測轉發延遲約12秒
關鍵指標均滿足指標要求
2018年12月30日8點53分
嫦娥4號開始環越降軌
由8臺150牛推力器點火
進入15.6千米乘以91千米的動力下降前等待軌道
所有的努力都獲得了成效
嫦娥4號僅比計劃晚19秒
抵達預定的動力下降入口
2019年1月3日9點33分
嫦娥4號進入地球不可見區域
探測器自主進行太陽翼收起
姿態調整
導航敏感器開機
和7500牛發動機開機等動作
地面僅通過雀橋1號進行監視
不轉發指令
10點14分
嫦娥4號開始動力下降
此次選擇的動力下降軌跡
與嫦娥3號略有不同
由於南極艾特肯盆地馮卡門撞擊坑
不像紅灣着陸區那樣
擁有着大片廣袤越海
其坑點的着陸點位於月球基準線以下
5800米左右
且尺寸更小
如果繼續使用嫦娥3號的方案
其主減速段結束後
以50米每秒左右速度進入接近段
那麼探測器就很可能撞到坑壁上
因此嫦娥4號在主減速段
直接將水平速度減爲0
接近段幾乎垂直下降
10點23分
主減速段結束
嫦娥4號距離月面高度8公里
進入快速調整段
轉回垂直下降狀態
到達6000米高度後進入接近段
同時開始粗避障
並根據傳感器結果
10點25分
進入100米懸停段
開始精避障
自主向西南移動8.5米
10點26分
伽瑪關機敏感器觸發
液發36發動機關機
一秒後
觸悅組件信號發出
嫦娥4號成功着陸月面
着陸點座標東經177.59度
南緯45.45度
當地海拔高層爲-5857.071米
整個動力下降航程高達44萬米
如果我們對比嫦娥3號和嫦娥4號的
動力下降期間
着陸攝像機所拍攝視頻的話
就可以明顯發現
嫦娥4號要比嫦娥3號更晃
這其實還是燃料分配的原因
雖然嫦娥4號已經儘可能的
通過還月軌控
降低了推進器的偏差
但偏差依舊會存在
只能依靠GNC控制滋控分系統進行補償
這次動力下降應該也是
整個嫦娥工程中最驚心動魄的一次了
到此嫦娥4號團隊懸着的心
終於隨着探測器一起落了下來
在推進器泄露這一致使
任務命懸一線的巨大險情中
他們靠着過硬技術和沉着應對
把不可能變成了奇蹟
成就了中國航天探月工程的
又一次偉大勝利
成功着陸後
嫦娥4號開始有條不紊地進行推進器
和增壓輸送器體鈍化
但是在分離過程中
玉兔2號又與嫦娥4號定向天線的反射信號
產生了多鏡效應
兩股與中繼星通信的電磁波
恰好相位相反互相抵消
造成玉兔2號巡視器搖側信號強度波動
最終地面選擇在兩器分離過程中
放倒玉兔2號的桅杆
巡視器才得以抵達月表
之後嫦娥4號開展了大量科學實驗
並與玉兔2號進行了兩器互拍
除了玉兔2號原定的導航點地點
位於一個坑裏無法前往以外
一切順利
2019年2月4日
國際天文聯合會批准嫦娥4號着陸區
周圍的地理實體命名
嫦娥4號着陸點被命名爲天河基地
着陸點周圍三個較大的撞擊坑
以我國古代天文星圖中的星關
夏季大三角中的三星命名
分別爲織女 河谷 天津
逢卡門撞擊坑中央峯
則被命名爲泰山
作爲人類首個在月球背面軟着陸的探測器
嫦娥4號獲得了豐厚的科研成果
其中最重要的一項
就是對月球越慢來源物質的發現與確定
月球早期演化的岩漿氧理論認爲
在月球表面未步化時
岩漿的演化
會讓較輕的斜長石組分上浮結晶形成月殼
橄欖石 灰石等較重的附鐵銘元素的礦物
則會下沉結晶形成月脈
但這一假說未被證實
預託2號月球車紅外成像光譜儀
對着陸區附近光譜分析的結果傳回後
研究者並未從中發現預期中
逢卡門坑底部填充的玄武岩成分
相反 光譜數據展示了
豐富的橄欖石 低蓋灰石
以及少量的高蓋灰石
這樣的物質很快被確定爲與月脈相關
證實了此前提出的假說
並且在進一步結合預圖2號測閱雷達
以及軌道搖桿數據後
這些月脈相關物質被確認
實際上來自於逢卡門坑東北方的
芬森撞擊坑
芬森撞擊坑形成的時間晚於
逢卡門撞擊坑
芬森撞擊事件發生時
挖掘出了月脈物質
並且建設物落入逢卡門坑中
而嫦娥4號恰好落在了芬森坑建設物之上
因此能夠獲得這一十分重要的探測數據
預圖2號的測閱雷達還測得了
首組月球背面的次表層結構數據
由於逢卡門撞擊坑月壤結構顆粒較細
更有助於雷達探測
預圖2號高頻雷達超出預期地
測得了約40米的數據
低頻雷達穿透深度則超過400米
測閱雷達的數據揭示了
逢卡門坑複雜的撞擊歷史
月表下130米內
是多個周圍撞擊坑的建設物共同堆積
130至240米範圍
則是多次火山活動形成的玄武岩
240米以下又是來自萊布尼茨坑的建設物
嫦娥4號的其他科學載荷
也在持續展出科學數據
嫦娥4號的溫度測量載荷
在月夜測得了最低
零下196攝氏度的低溫
低頻射電頻譜儀獲得了
月球背面40兆赫以下的頻譜特徵
對後續低頻射電天文觀測提供指導
瑞典中性原子探測儀
首次原位探測到了
揭示了太陽風與月壤互作的細節機制
德國月球中子級輻射計量探測儀
獲得了月球表面的太陽與宇宙輻射水平數據
爲後續無人與載人月球探測
提供相關支持
到2022年1月時
嫦娥4號和玉兔2號
已經累計獲得了
3135.17GB的原始數據
玉兔2號更是一路向西行進
截至2024年9月
已運行1613米
目前玉兔2號的VNIS LPR和ASAN
仍在持續發放數據
最新一批數據於2024年5月發佈
表明這些儀器仍然工作正常
至於TCAM的相片爲什麼不發了呢
因爲它走得實在是太慢了
拍出來都一個樣
還不如不發
2024年4月
雀橋2號進入預定的中繼軌道後
還和嫦娥4號進行了中繼通信試驗
或許在不久的未來
更高通信速率的雀橋2號
可以指揮玉兔2號
以更高速度向西前進
月表科學實驗中唯一美中不足的是
由於熱控問題
導致艙內持續處於35攝氏度以上的高溫
嫦娥4號攜帶的月面生物圈裝置
最後只有棉花種子發芽了
油菜 馬鈴薯和擬南介等另外三種
作爲生產者的植物全部被烤死
酵母估計也一塊玩完了
作爲消費者的果蠅估計也沒有打贏復活賽
嫦娥4號的成功落月無疑創造了歷史
作爲人類首個在月球背面軟着陸的探測器
它至今仍在運行
它用實打實的成績證明
中國人不僅能抵達未知
更能持續探索
那麼在2019年嫦娥4號落月後
嫦娥5號的故事又將如何展開呢
在2011年立項後
探月三期以實現月球採樣返回
又做了哪些努力
敬請期待

