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理大動員跨學科專家支持國家歷史性登陸月背任務

The Hong Kong Polytechnic University

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IMAGE: PolyU mobilises multi-disciplinary resources to support Chang'e-4 mission. view more 

Credit: The Hong Kong Polytechnic University

香港理工大學(理大)積極支持國家正在進行的「嫦娥四號」月球探測項目(「嫦四」),其探測器已於今年1月3日成功登陸月球背面,創全球歷史先河。理大的先進技術獲應用於是次登月任務,包括設計和開發先進的「相機指向系統」,並以創新的月球地形測繪和地貌分析技術研究探測器著陸點的地理特徵。

理大副校長(科研發展)衞炳江教授說:「理大非常榮幸能夠參與並為國家的探月任務作出貢獻,尤其這次任務是在月球背面登陸,是人類史上首次的創舉。理大高度重視這項任務,動員不同學科的專家和資源,確保研究的成果和相關的儀器符合太空任務的嚴格要求。」

研究著陸點地貌特徵

為實現全球首次以在月球背面著陸為目標的航天任務,選取具有科學價值而又安全的著陸點至關重要。理大土地測量及地理資訊學系副教授吳波博士自2016年3月起便率領團隊為「嫦娥四號著陸區——地形及地貌特徵及分析」進行研究。

該團隊獲中國空間技術研究院(五院)資助,從不同的資料來源蒐集了大量的月球遙感數據,為兩個候選著陸區創建了高精確度和高解像度的地形模型,其中一個著陸區正是現時嫦娥四號的登陸地點,即位處月球背面南極 ─ 艾特肯盆地內的卡門撞擊坑。

吳博士及其團隊為嫦娥四號任務研究的兩個著陸區面積分別約有1,500平方公里,約等於香港總面積的1.4倍,並詳細分析其地形坡度﹑地形對太陽日照遮擋和對中繼衛星通訊遮擋的情況﹑撞擊坑分佈﹑岩石多少程度,以及該區域的地質歷史。這些分析有助團隊就選取著陸點提出可靠而具實證基礎的建議。

該團隊在候選著陸區收集了超過40萬個撞擊坑及逾2萬塊岩石的資訊,並分析該處地形表面﹑計算斜坡的坡度,以選取相對平坦的地點供探測器安全著陸。團隊必須仔細考慮著陸區的岩石數量及每一塊的體積,因為部份巨石直徑可達35米,足以阻擋月球車的行走路線,而小石塊則可能卡進車輪,影響月球車的活動。

吳博士說:「嫦娥四號的登陸點位於月球背面,無法與地球透過無線電直接通訊。此外,著陸區的地形表面也崎嶇不平,高度差異可達16公里,因此探測器登陸時需採取幾乎垂直的下降方法。凡此種種皆令這次任務變得非常具有挑戰性。」

針對地形對太陽日照遮擋和對中繼衛星通訊遮擋情況的研究尤為重要,因為要確保著陸器和月球車上的太陽能板獲得足夠的日照充電,以致兩者上的科學傳感器能順利運作,確保兩者能清楚接收地球上控制中心的指揮信號,並能順利將數據傳輸至控制中心。

嫦娥四號於2019年1月3日著陸成功後,吳博士的團隊又隨即聯同五院投入工作,要盡快找出著陸器的準確位置,並分析該著陸點的地形對太陽日照遮擋和對中繼衛星通訊遮擋的情況,為著陸器和月球車的接續連串行動作出更好的部署。

吳博士對於能參與這次任務感到興奮,他說:「我在投入測量專業之初,從沒想過自己能參與探月工程;但原來敢於踏出新的一步,一切皆有可能。」

相機指向系統

理大工業及系統工程學系講座教授(精密工程)兼副系主任容啟亮教授亦帶領團隊協助五院共同為嫦娥四號開發了「相機指向系統」,為國家的探月工程作出貢獻。

「相機指向系統」重2.8公斤,長85厘米﹑闊27厘米﹑深16厘米,安裝在嫦娥四號著陸器的頂端,能夠垂直移動120度,並可以左右旋轉350度,以及在月球引力(即地球地心吸力的六分之一)下正常運作。它主要協助拍攝月球圖像,以及幫助控制中心指揮月球車的活動。

「相機指向系統」的設計極為精密,所有電子部件、訊號線和電線都安裝在儀器外殼內,以抵受嚴苛的太空環境,確保設備在登陸月球後能即時正常運作。為此,儀器內部必須精心設計,其結構複雜而精細,必須製作嚴謹,才能安裝和保護所有電線。因此,豐富的多軸加工專業知識和經驗是完成這個項目的必要條件。

由於月球背面輻射量高,又暴露在溫差極大的情況,因此「相機指向系統」的外殼表面必須進行加工潤飾和處理,以反射輻射和熱量。另外,為免出現腐蝕和生鏽,其設計必須盡量減少組裝部件和接合點;因此,在設計階段中已將許多部件合併為單一部件,而在加工生產時亦要將不必要的材料從單一固體材料中移除。凡此種種都令製造過程變得極為複雜和耗時,需要高精確度的加工技術和知識才能完成。

「相機指向系統」在理大工業中心精心研製出來。工業中心是項目的重要成員,在生產航天儀器方面發揮了關鍵作用,確保儀器的設計及功能特點能符合嚴格的要求,以應付太空特殊的情況。

容教授表示:「我很自豪能夠參與人類首次登陸月背的任務。我將繼續為國家的太空探索努力不懈。」

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