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月表中子与辐射剂量探测仪:为登月架起保护伞

来 源:科学网
发布时间:2019-01-07

 

中子与辐射剂量探测仪仪器照片(中科院国家空间科学中心供图)

中子与辐射剂量探测仪测试现场(中科院国家空间科学中心供图)

中德双方PI合影(中科院国家空间科学中心供图)

 

国际合作,是此次嫦娥四号的亮点之一。嫦娥四号共搭载了9台科学载荷,其中有3台是国际载荷。

这3台国际载荷中,有一个名叫“月表中子与辐射剂量探测仪”(LND)的载荷由中国科学院国家空间科学中心和德国基尔大学联合完成。

“这台仪器将能够探测着陆区的辐射剂量,为未来的载人登月航天员的危险度进行前期评估,提供相应辐射防护的依据。” LND中方首席专家-中科院国家空间科学中心研究员张珅毅在接受《中国科学报》采访时说。

“高能预警”:评估月球表面的辐射有多强

日常生活中,太阳光太强烈的时候,很多爱美的姑娘会戴上遮阳帽或撑起遮阳伞,防止皮肤被紫外线晒伤。紫外线,就是地球上一种最常见的光辐射。不过,相较于宇宙中的高能粒子辐射,紫外线已经算是相当“温和”的了。

亘古以来,地球上包括人类在内的生物,被两层“保护伞”保护着,一层是地球磁场,另一层是地球大气层。

“大部分宇宙高能粒子在磁层中会被偏转、束缚,即便粒子逃脱了磁层的束缚,还要面临大气层的抵挡,这些粒子打到大气层上,会被减速,并被分裂成更小的粒子。”张珅毅说。

不过,月球上的辐射环境可没有地球上这么让人有安全感,宇宙中的高能粒子时刻都会对人体或仪器设备造成伤害。

“月球上没有地球的两层‘保护伞’,深空中的太阳宇宙线会直接打到月球表面。如果将来我们的航空器或航天员登陆月球,必然会遭受高能粒子带来的辐射损伤。”张珅毅说。

要避免这些伤害,就要知己知彼,未雨绸缪,然而目前国际上关于月球辐射情况的有效数据几乎是空白。

张珅毅告诉记者,过去四五十年里,国际对月球的关注度一直不高,尽管近年来美国等航天大国重拾了探索月球的“兴趣”,有效的月表辐射数据仍然匮乏。

这次,中德联合研制的“月表中子与辐射剂量探测仪”,主要目的正是评估月球表面究竟的辐射危害。

“这将是近几十年国际上第一次对月表辐射剂量进行测量,我们获得的第一手月表粒子辐射测量数据对国家探月工程来说将是非常宝贵的数据资源。”张珅毅说。

“一举多得”:研究太阳风暴寻找月球资源

登月一次不容易,为了充分利用搭载机会,这个载荷还具备了其他本领。

在评估辐射危害的同时,月表中子与辐射剂量探测仪的另一个主要目标是对太阳风暴的具体情况开展科学研究。

太阳风暴是太阳上的剧烈爆发活动及其在日地空间引发的一系列强烈扰动,对人类的卫星、无线电通信和地面技术系统都会造成影响,因此也是科学家一直努力研究的对象。

“月球摆脱了地球磁场的影响,能够更直接地探测到来自太阳的粒子信息,是研究太阳风暴的重要地点之一。在月球上,我们可以直接探测到太阳高能粒子的能谱及其随时间变化的特性,研究太阳风暴的起因,高能粒子传播规律等。”张珅毅说。

除了评估辐射危害和开展太阳风暴相关研究之外,科研人员还为这台仪器设计了两个附加目标——在月球上寻找水冰和铁矿。

1998年和2009年美国宇航局(NASA)分别发射了“月球探测器”(LP)和和“月球勘探轨道器”(LRO),曾经对月球水冰含量进行过探测,但是二者在水冰含量的数值结果上有出入。“这次,我们可以在一个具体着陆点上观测获得更加精确的数据。”张珅毅说。

同时, “我们还希望能够在南极艾托肯盆地着陆点位置探测氧化铁的含量有多少。”张珅毅说。

“同甘共苦”:反复磨合对接理解文化差异

2015年,张珅毅接到了一封来自德国基尔大学罗伯特教授(Robert Wimmer–Schweingruber)的邮件。信中,罗伯特表示希望能够与中科院国家空间科学中心合作,一起完成月表中子与辐射剂量探测仪的项目遴选和研制工作。

张珅毅及其团队长期致力于空间环境粒子辐射测量工作,也积攒了一定的工程经验和技术基础。经过中德双方的多次讨论,合作意向很快达成了。

根据技术合作协议,作为中德合作完成的国际载荷,月表中子与辐射剂量探测仪的工程硬件研制工作由德方完成,中方负责接口协调、阶段性评审考核、交付后测试、标定试验等对接协调工作。

“中国和德国的航天工程操作流程有很大的区别,中国航天有明确且严格的规范,比方说,仅仅是环境试验,我们的要求量就是德国的三四倍。”中科院国家空间科学中心高级工程师袁斌告诉记者。

为了保证硬件指标符合我国航天要求,在合作过程中,双方一直在反复磨合。“严格管理一直是中国航天高成功率的保障,而我们起到的就是解释沟通和润滑作用。”张珅毅说。

合作过程中,负责数据分析工作的中科院国家空间科学中心副研究员王春琴帮助德方写作整理了一大堆材料,反复与对方确认技术细节,排查漏洞。“我们的细致认真赢得了他们的尊重,双方的合作也是一次相互学习的过程,在工作理念、创新思路方面,我们都有所收获。”王春琴说。

记者了解到,月表中子与辐射剂量探测仪获得的数据将由中德双方数据共享并共同对外发布。