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登月釋疑:嫦娥六號幾個有意思的畫面
送交者: 一劍破天 2024年06月05日09:56:39 於 [軍事天地] 發送悄悄話

月釋疑:嫦娥六號幾個有意思的畫面

一:誰拍攝的嫦娥六號外視角?

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我們都知道,嫦娥三號與嫦娥四號在攜帶了玉兔月球車的情況下,通過月球車和着陸器完成了兩器互拍,但嫦娥五號以及備份嫦娥六號是原位採樣返回器,並沒有攜帶玉兔月球車,所以這張嫦娥六號的外視角影像又是哪家攝影師跑到月球上拍攝的呢?

答案實際就在嫦娥六號側面的一個小裝置上,這是一個袖珍月球車(如箭頭所示),官方稱呼為“移動相機”,在着陸月面後,爆炸螺栓將會讓這個小車彈射到月面上,然後,小車前往一定距離外,使用車載圖像系統對嫦娥六號的採樣進行外視角拍攝,並通過無線網絡傳輸給着陸器自身,並發送回地球。

實際在題圖中,如果仔細看的話,你也可以在畫面右下方看到淡淡的車轍印記。這個車轍軌跡與之前的玉兔月球車所表現的效果完全不同。

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此類拍攝方法在中國此前的天問一號任務中就曾使用過,當時由祝融號火星車在火星表面拋離小型袖珍相機完成了對火星車和着陸器的兩器同框合影。類似的技術也出現在了日本 SLIM 月球着陸器上,給我們貢獻了一張經典的倒栽蔥着陸名場面。而此前美國的 IM-1 月球着陸器也攜帶了類似設備,但非常可惜在着陸階段,釋放機構並未正常工作,因此沒有能完成拍攝任務。

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天問一號與祝融火星車合影

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拿了大頂的日本 SLIM 探測器,已經成功在月球存活了三個月夜。

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原計劃在 Nova-C IM-1 着陸器使用的彈射攝像頭和其理論上拍攝的圖像模擬

根據其製造單位的說法,這個小車還將可能拍攝上升器在月球點火起飛的鏡頭,如果成功,這將可以媲美50年前阿波羅17號由LRV月球車拍攝的阿波羅飛船返回上升的畫面。目前,嫦娥六號上升器已經點火起飛,讓我們保持期待,等待相關視頻的發布。

二:嫦娥六號在月球起飛看不到發動機火焰?

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嫦娥五號上升器起飛瞬間,發動機尾焰幾乎不可見

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嫦娥五號在地球的起飛測試,可以看到明顯尾焰

為啥在 CG 動畫中我們認為火箭發動機點火會有明顯的火焰噴出,但到了月球起飛的畫面時,火箭卻消失了,或者更準確的是或是幾乎不可見?這個問題實際在嫦娥五號的時候就已經存在。這個畫面拍攝的鏡頭是利用着陸器自身的相機對着正上方拍攝,從底部發動機噴口方向觀看起飛過程。嫦娥五號從月球起飛時鏡頭更加清晰,這可能是嫦娥六號的鏡頭位置可能殘留了一些月塵,影響了清晰度。

照理說這個位置下火焰應該更明顯,但實際並沒有。在阿波羅 17 號點火返回的視頻中,也有很多人產生了這個疑問——為啥月球上的火箭沒有尾焰?

我們在觀看大型運載火箭發射現場視頻的時候,往往會被長達幾十上百米的火箭尾焰和高達200分貝的強烈噪音所震撼,而這也是我們對火箭發射的刻板印象。實際上,火箭發動機在離開地球大氣層後的尾焰呈現的是另外的狀況。隨着近些年遙測技術的進步,越來越多的攝像頭被裝載了火箭或者飛船的各個部分。我們可以清楚地看到在火箭飛出濃密大氣層後,明亮的尾焰慢慢消失不見了,尾焰整體蓬開同時變得非常暗淡。為什麼?

主要原因是我們看到火箭尾焰中的明亮部分,是尾焰中的固體顆粒被加熱後形成的,與火箭尾焰溫度密切相關。火箭在地面附近工作時,由於濃密空氣的包裹,尾焰氣體擴散慢,根據理想氣體狀態方程我們可以知道,尾焰的溫度降低得也慢,尾焰中各種原因形成的固體顆粒的溫度保持的時間也比較長,但到了高空稀薄空氣地帶,由於氣壓小,尾焰氣體膨脹速度要快得多,溫度下降的速度也會快得多,那些固體顆粒的溫度相應也快速下降,這就導致尾焰中明亮的部分大大減少,只能在距離噴管很近的範圍內存在。

另外由於光線和角度的問題,已經擴散到非常淡的尾焰會更加不容易捕捉到,這就導致了上升器的尾焰幾乎無法被識別出來。

三、風吹導致嫦娥六號的機械臂為在晃動?


視頻[02:58]起

月球上沒有人,也沒有風,為何嫦娥六號的機械臂在沒有動作的情況下也產生了晃動?這個問題與“質疑”阿波羅登月時旗幟為何晃動是同樣的原因。

由於沒有空氣阻力,重力加速度又非常輕,金屬杆的應力釋放相比在地球反而更加明顯。物體從移動到停止後的慣性表現也會變得很大。這其中一個很經典的案例就是空間站和神舟飛船在入軌後解鎖太陽翼帆板的畫面。如同當年在月球展開旗幟一樣,大面積的帆板展開後,即便其跟部已經鎖死固定,在鐘擺和彈性作用影響下,帆板外側的晃動仍然保持了相當長的時間,這顯然不可能是風去吹動的。


天宮空間站柔性太陽帆板展開時的明顯晃動(視頻開頭)

四、嫦娥六號落在了什麼位置?精度如何?


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目前,嫦娥六號的具體着陸位置還沒有官方公布,不過網友 @Seger yu 根據發布的着陸器降落視頻以及相關月球遙感影像對照已確認了落月點的精確坐標:

嫦娥六號實際着陸點坐標是南緯 41.64° 西經 153.99°。

按照匹配高分影像得到的 CE6 着陸點坐標(粗略估計),南緯 41.64° 西經 153.99° 位於預選着陸點東北方向,距離大約 16.7 km,位於預選着陸區的 B5 方框內。

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由 NASA LRO發布的嫦娥六號預選着陸區阿波羅盆地 0.9m 分辨率遙感圖像

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由 嫦娥二號 發布的同樣位置的 7m 分辨率遙感圖像

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五、為何嫦娥五號只用23天返回,而嫦娥六號需要53天?

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5月28日月球晝夜狀態,其中 Apollo 點即為此次嫦娥六號着陸的阿波羅盆地

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我們來看一組數據:

在嫦娥五號(2020年)的任務時間節點如下 ——

發射:11月24日4時30分

進入環月軌道:11月28日20時58分

去程轉移用時:約4天16小時

落月:12月1日23時11分

等待用時:約3天2小時

月面起飛:12月3日23時10分

月表工作時間:約2天整

與返回器對接:12月6日5時42分

對接用時:約2天6小時

開始地月轉移:12月12日9時54分

回程轉移等待:約6天4小時(含等待時間)

返回地球:12月17日1時59分

回程轉移時間:5天17小時

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而截止目前的嫦娥六號(2024年)的任務時間節點如下 ——

發射:5月3日17時27分

進入環月軌道:5月8日10時12分

去程轉移用時:約4天17小時(嫦娥五號為4天16小時)

落月:6月2日6時23分

等待用時:約24天20小時(嫦娥五號為3天2小時)

月面起飛:6月4日7時38分

月表工作時間:約2天1小時(嫦娥五號約2天整)

與返回器對接:計劃 6月6日

對接用時:計劃 2 天嫦娥五號約2天6小時)

開始地月轉移:計劃 6月20日

回程轉移等待:計劃 14 天嫦娥五號6天4小時含等待時間)

返回地球:計劃 6月25日

回程轉移時間:計劃 5 天嫦娥五號5天17小時

可以看到,嫦娥五號和嫦娥六號主要的區別,就是幾次等待窗口的不同。兩者的轉移時間實際差不多,都是4天至5天之間。

隨着技術的全面進步,我國的嫦娥系列探測器均採用運載效率最高的最小能量轉移地月轉移。該種轉移軌道的遠地點高度十分接近月球的公轉軌道,地月轉移耗時約5天。唯一的例外是2014年發射的嫦娥五號T1飛行試驗器。這是個探路星,為嫦娥五號驗證高速再入技術。它採用自由返回軌道,遠地點高度顯著超越了對應的地月距離(41.3 vs 37.3萬公里),也讓它只用4天就飛到了月球。

嫦娥六號的軌道設計詳細的說明可見:一個愛好者眼中的嫦娥六號任務 (weibo.com)

由於月球自轉很慢且與地球潮汐鎖定。月球上晝夜切換一次為 14 天左右,也就是說一個月球日幾乎要等於 28 個地球日。由於光照條件限制,此次嫦娥六號抵達月球軌道時,預定着陸區已接近月夜,此時並不適合展開探測,因此,嫦娥六號大部分時間都用在等待月球回到晝間。另外,由於月球溫差較大,一般而言,短期的探月着陸器也會選擇在月球的清晨時分降落,這樣月表的溫度會處於一個合適的範圍內,避免了極端高溫和極端低溫的情況發生。在嫦娥三號和四號這樣的長期任務中,着陸器攜帶了同位素熱源用於在月夜零下 180 度進行保溫,而嫦娥五號和六號則都是短期任務。

此外,因為是無人探測器登月,探測器有足夠的時間用於軌道轉移和待機,因此相比載人登月的急匆匆,無人探測器則通常沒有吃喝拉撒等人員必須活動導致的時間壓力。因此,其軌道設計可以更加寬鬆。

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中國空間科學技術期刊《地月自由返回軌道設計》王丹陽等,南京大學,天文與空間科學學院,2017


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