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登月释疑:嫦娥六号几个有意思的画面
送交者: 一剑破天 2024年06月05日09:56:39 于 [军事天地] 发送悄悄话

月释疑:嫦娥六号几个有意思的画面

一:谁拍摄的嫦娥六号外视角?

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我们都知道,嫦娥三号与嫦娥四号在携带了玉兔月球车的情况下,通过月球车和着陆器完成了两器互拍,但嫦娥五号以及备份嫦娥六号是原位采样返回器,并没有携带玉兔月球车,所以这张嫦娥六号的外视角影像又是哪家摄影师跑到月球上拍摄的呢?

答案实际就在嫦娥六号侧面的一个小装置上,这是一个袖珍月球车(如箭头所示),官方称呼为“移动相机”,在着陆月面后,爆炸螺栓将会让这个小车弹射到月面上,然后,小车前往一定距离外,使用车载图像系统对嫦娥六号的采样进行外视角拍摄,并通过无线网络传输给着陆器自身,并发送回地球。

实际在题图中,如果仔细看的话,你也可以在画面右下方看到淡淡的车辙印记。这个车辙轨迹与之前的玉兔月球车所表现的效果完全不同。

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此类拍摄方法在中国此前的天问一号任务中就曾使用过,当时由祝融号火星车在火星表面抛离小型袖珍相机完成了对火星车和着陆器的两器同框合影。类似的技术也出现在了日本 SLIM 月球着陆器上,给我们贡献了一张经典的倒栽葱着陆名场面。而此前美国的 IM-1 月球着陆器也携带了类似设备,但非常可惜在着陆阶段,释放机构并未正常工作,因此没有能完成拍摄任务。

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天问一号与祝融火星车合影

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拿了大顶的日本 SLIM 探测器,已经成功在月球存活了三个月夜。

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原计划在 Nova-C IM-1 着陆器使用的弹射摄像头和其理论上拍摄的图像模拟

根据其制造单位的说法,这个小车还将可能拍摄上升器在月球点火起飞的镜头,如果成功,这将可以媲美50年前阿波罗17号由LRV月球车拍摄的阿波罗飞船返回上升的画面。目前,嫦娥六号上升器已经点火起飞,让我们保持期待,等待相关视频的发布。

二:嫦娥六号在月球起飞看不到发动机火焰?

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嫦娥五号上升器起飞瞬间,发动机尾焰几乎不可见

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嫦娥五号在地球的起飞测试,可以看到明显尾焰

为啥在 CG 动画中我们认为火箭发动机点火会有明显的火焰喷出,但到了月球起飞的画面时,火箭却消失了,或者更准确的是或是几乎不可见?这个问题实际在嫦娥五号的时候就已经存在。这个画面拍摄的镜头是利用着陆器自身的相机对着正上方拍摄,从底部发动机喷口方向观看起飞过程。嫦娥五号从月球起飞时镜头更加清晰,这可能是嫦娥六号的镜头位置可能残留了一些月尘,影响了清晰度。

照理说这个位置下火焰应该更明显,但实际并没有。在阿波罗 17 号点火返回的视频中,也有很多人产生了这个疑问——为啥月球上的火箭没有尾焰?

我们在观看大型运载火箭发射现场视频的时候,往往会被长达几十上百米的火箭尾焰和高达200分贝的强烈噪音所震撼,而这也是我们对火箭发射的刻板印象。实际上,火箭发动机在离开地球大气层后的尾焰呈现的是另外的状况。随着近些年遥测技术的进步,越来越多的摄像头被装载了火箭或者飞船的各个部分。我们可以清楚地看到在火箭飞出浓密大气层后,明亮的尾焰慢慢消失不见了,尾焰整体蓬开同时变得非常暗淡。为什么?

主要原因是我们看到火箭尾焰中的明亮部分,是尾焰中的固体颗粒被加热后形成的,与火箭尾焰温度密切相关。火箭在地面附近工作时,由于浓密空气的包裹,尾焰气体扩散慢,根据理想气体状态方程我们可以知道,尾焰的温度降低得也慢,尾焰中各种原因形成的固体颗粒的温度保持的时间也比较长,但到了高空稀薄空气地带,由于气压小,尾焰气体膨胀速度要快得多,温度下降的速度也会快得多,那些固体颗粒的温度相应也快速下降,这就导致尾焰中明亮的部分大大减少,只能在距离喷管很近的范围内存在。

另外由于光线和角度的问题,已经扩散到非常淡的尾焰会更加不容易捕捉到,这就导致了上升器的尾焰几乎无法被识别出来。

三、风吹导致嫦娥六号的机械臂为在晃动?


视频[02:58]起

月球上没有人,也没有风,为何嫦娥六号的机械臂在没有动作的情况下也产生了晃动?这个问题与“质疑”阿波罗登月时旗帜为何晃动是同样的原因。

由于没有空气阻力,重力加速度又非常轻,金属杆的应力释放相比在地球反而更加明显。物体从移动到停止后的惯性表现也会变得很大。这其中一个很经典的案例就是空间站和神舟飞船在入轨后解锁太阳翼帆板的画面。如同当年在月球展开旗帜一样,大面积的帆板展开后,即便其跟部已经锁死固定,在钟摆和弹性作用影响下,帆板外侧的晃动仍然保持了相当长的时间,这显然不可能是风去吹动的。


天宫空间站柔性太阳帆板展开时的明显晃动(视频开头)

四、嫦娥六号落在了什么位置?精度如何?


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目前,嫦娥六号的具体着陆位置还没有官方公布,不过网友 @Seger yu 根据发布的着陆器降落视频以及相关月球遥感影像对照已确认了落月点的精确坐标:

嫦娥六号实际着陆点坐标是南纬 41.64° 西经 153.99°。

按照匹配高分影像得到的 CE6 着陆点坐标(粗略估计),南纬 41.64° 西经 153.99° 位于预选着陆点东北方向,距离大约 16.7 km,位于预选着陆区的 B5 方框内。

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由 NASA LRO发布的嫦娥六号预选着陆区阿波罗盆地 0.9m 分辨率遥感图像

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由 嫦娥二号 发布的同样位置的 7m 分辨率遥感图像

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五、为何嫦娥五号只用23天返回,而嫦娥六号需要53天?

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5月28日月球昼夜状态,其中 Apollo 点即为此次嫦娥六号着陆的阿波罗盆地

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我们来看一组数据:

在嫦娥五号(2020年)的任务时间节点如下 ——

发射:11月24日4时30分

进入环月轨道:11月28日20时58分

去程转移用时:约4天16小时

落月:12月1日23时11分

等待用时:约3天2小时

月面起飞:12月3日23时10分

月表工作时间:约2天整

与返回器对接:12月6日5时42分

对接用时:约2天6小时

开始地月转移:12月12日9时54分

回程转移等待:约6天4小时(含等待时间)

返回地球:12月17日1时59分

回程转移时间:5天17小时

.

而截止目前的嫦娥六号(2024年)的任务时间节点如下 ——

发射:5月3日17时27分

进入环月轨道:5月8日10时12分

去程转移用时:约4天17小时(嫦娥五号为4天16小时)

落月:6月2日6时23分

等待用时:约24天20小时(嫦娥五号为3天2小时)

月面起飞:6月4日7时38分

月表工作时间:约2天1小时(嫦娥五号约2天整)

与返回器对接:计划 6月6日

对接用时:计划 2 天嫦娥五号约2天6小时)

开始地月转移:计划 6月20日

回程转移等待:计划 14 天嫦娥五号6天4小时含等待时间)

返回地球:计划 6月25日

回程转移时间:计划 5 天嫦娥五号5天17小时

可以看到,嫦娥五号和嫦娥六号主要的区别,就是几次等待窗口的不同。两者的转移时间实际差不多,都是4天至5天之间。

随着技术的全面进步,我国的嫦娥系列探测器均采用运载效率最高的最小能量转移地月转移。该种转移轨道的远地点高度十分接近月球的公转轨道,地月转移耗时约5天。唯一的例外是2014年发射的嫦娥五号T1飞行试验器。这是个探路星,为嫦娥五号验证高速再入技术。它采用自由返回轨道,远地点高度显著超越了对应的地月距离(41.3 vs 37.3万公里),也让它只用4天就飞到了月球。

嫦娥六号的轨道设计详细的说明可见:一个爱好者眼中的嫦娥六号任务 (weibo.com)

由于月球自转很慢且与地球潮汐锁定。月球上昼夜切换一次为 14 天左右,也就是说一个月球日几乎要等于 28 个地球日。由于光照条件限制,此次嫦娥六号抵达月球轨道时,预定着陆区已接近月夜,此时并不适合展开探测,因此,嫦娥六号大部分时间都用在等待月球回到昼间。另外,由于月球温差较大,一般而言,短期的探月着陆器也会选择在月球的清晨时分降落,这样月表的温度会处于一个合适的范围内,避免了极端高温和极端低温的情况发生。在嫦娥三号和四号这样的长期任务中,着陆器携带了同位素热源用于在月夜零下 180 度进行保温,而嫦娥五号和六号则都是短期任务。

此外,因为是无人探测器登月,探测器有足够的时间用于轨道转移和待机,因此相比载人登月的急匆匆,无人探测器则通常没有吃喝拉撒等人员必须活动导致的时间压力。因此,其轨道设计可以更加宽松。

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中国空间科学技术期刊《地月自由返回轨道设计》王丹阳等,南京大学,天文与空间科学学院,2017


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