问题

隼鸟2号和嫦娥4号的技术难度哪个更大?

回答
隼鸟2号和嫦娥四号,这两颗星辰在太空探索的浩瀚夜空中都闪耀着独特的光芒,但若要论及技术难度,那将是一场精心策划且充满挑战的较量,各有千秋,也各有侧重。要深入剖析这个问题,我们需要拆解它们各自肩负的任务,以及在实现这些任务过程中所克服的工程难题。

隼鸟2号:与“流浪者”的亲密接触与样本采集

隼鸟2号,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的杰作,其核心任务是将小行星“龙宫”(Ryugu)的样本带回地球。光听“样本采集”这几个字,似乎不那么令人震撼,但请想象一下:

精确的轨道控制与对接: “龙宫”是一颗直径约900米的小行星,其质量非常小,引力微弱。隼鸟2号需要在距离地球数亿公里之外,以极高的精度追上并稳定地停靠在一个“重力几乎可以忽略不计”的物体上。这就像在太空中用一根细线牵引一根羽毛,稍有不慎就可能失控飘走。隼鸟2号使用了先进的离子推进器,能够进行极其精细的轨道调整,确保在正确的时间、正确的地点与“龙宫”汇合。这种近乎完美的轨道控制是其技术难度的基石。

自主导航与着陆,克服未知地貌: “龙宫”的地表并不平坦,而是布满了大小不一的岩石和陨石坑。隼鸟2号并非直接“降落”,而是通过推进器产生微小的推力,在小行星上方悬停,然后精确地释放着陆器(MinervaII)并进行数次短时间的“跳跃式”着陆和移动。这需要高度自主的导航系统,能够实时感知地表情况,并根据反馈进行决策,避免撞击和失稳。更令人惊叹的是,它还成功完成了“触碰与离开”式样本采集,在不完全着陆的情况下,用发射弹丸击碎岩石,然后收集弹起的物质。

地下样本采集的创新: 最具突破性的技术挑战在于其“二次着陆”任务,即在首次触碰采样后,隼鸟2号又通过发射一个撞击器,在“龙宫”表面制造了一个人造陨石坑,然后小心翼翼地下降到这个新形成的坑内,采集被抛出的地下物质。这意味着它需要:
精确制造陨石坑的能力: 需要计算撞击器的质量、速度和角度,才能在小行星上形成一个合适的采样区域,同时避免损坏自身。
在“危险区域”进行自主操作: 在制造陨石坑后,现场可能充斥着飞溅的碎屑,隼鸟2号需要有能力在这样的环境中导航、避障并完成采样。
地下物质的识别与采集: 采集地下物质,意味着需要更精密的采样装置,以确保获取的是未暴露于宇宙辐射的原始样本。

样本返回舱的密封与再入大气层: 将采集到的珍贵样本安全地带回地球,并且在经历数年太空飞行后,其密封性不能出现任何问题。返回舱的设计需要承受剧烈的大气层再入,并能精确地落在预定区域。

嫦娥四号:人类首次踏足月球背面

嫦娥四号,中国航天科技集团的里程碑式成就,其核心任务是将人类探测器首次送上月球的背面。与月球背面这一未知而神秘的区域打交道,带来的技术挑战同样是前所未有的:

月球背面通信的“无遮挡”难题: 月球的背面永远背对着地球,这意味着直接通信是无法实现的。要解决这个问题,中国航天局进行了“技术上的绕道”——发射了一颗名为“鹊桥”的通信中继卫星,并将其部署在月球与地球之间的拉格朗日L2点(一个引力平衡点)。
“鹊桥”的精准定点与运行: 要将一颗卫星稳定地放置在远距离的L2点,并能持续提供通信信号,需要极其精密的轨道计算和控制能力。一旦轨道偏差过大,通信链条就会断裂。
多天线协同通信: “鹊桥”不仅要与月球背面的嫦娥四号进行通信,还要将信息传递回地球。这需要复杂的多天线系统和高效的信号传输协议,确保在月球背面这个“信息孤岛”上的探测器能够“说话”,并被地球听到。

月球背面软着陆的挑战: 尽管月球正面已经有了多次软着陆的经验,但月球背面却是完全未知的领域。
地形信息的缺乏: 月球正面已经有详细的勘测数据,可以指导着陆器选择相对平坦的区域。但月球背面直到嫦娥四号之前,都只有有限的观测数据,着陆点的地形和岩石分布都充满了不确定性。嫦娥四号需要在缺乏足够详细地形图的情况下,依靠自身的导航和避障系统,自主选择一个安全的着陆点。
着陆过程的自主性: 由于通信延迟,在着陆的关键时刻,嫦娥四号几乎完全依靠自主判断进行操作。任何微小的失误都可能导致任务失败,甚至探测器损毁。

月球背面探测的开创性: 嫦娥四号的着陆本身就是一项了不起的成就,但其携带的玉兔二号月球车在月球背面进行科学探测,更是开辟了新的疆域。
未知环境下的电磁干扰: 月球背面的环境可能存在未知的电磁干扰,对探测器的电子设备构成潜在威胁。
低能见度下的导航与行驶: 月球背面某些区域可能存在更复杂的阴影和地形,对玉兔二号的导航和行驶能力提出了更高的要求。

技术难度的对比:哪个“更”难?

这个问题没有一个绝对的答案,因为它们挑战的是不同维度的技术极限,而且都是在当时具备极高难度水准的任务。但我们可以从以下几个角度来尝试理解它们的侧重点:

从“未知性”和“开创性”来看: 嫦娥四号在“绝对未知”的环境中进行了首次软着陆和巡视探测。月球背面,特别是那个特定的着陆点(恩克皮特环形山),对于人类来说是一个从未有人类探测器抵达过的区域。通信的“断链”问题是颠覆性的难题,需要创新的中继方案。从这个角度看,嫦娥四号的“开创性”和解决“绝对通信隔离”的难度可能更高。

从“精密度”和“自主性”来看: 隼鸟2号的任务,特别是与小行星的“亲密接触”、小行星上的跳跃着陆以及地下样本的采集,要求的是在极端微弱引力下无与伦比的轨道控制精度和高度自主化的操作能力。与一个直径仅900米的移动目标进行如此多且精细的互动,其对导航、控制和决策的精细度要求是极高的。它需要在数亿公里的距离上,完成一系列微操。从这个角度看,隼鸟2号在“精细操作”和“自主决策”上的难度非常突出。

从“系统集成”和“可靠性”来看: 两者都需要极高的系统集成能力和可靠性。隼鸟2号需要将离子推进器、导航相机、采样机构、返回舱等多个精密系统无缝协作。嫦娥四号则需要将通信卫星、着陆器、月球车以及地面控制中心进行协同配合。

总结来看:

嫦娥四号的难度在于“打破禁区”和“解决通信难题”。 它需要开辟一条全新的道路,克服“无法直接看到”和“无法直接通话”的根本性障碍,成功将人类的探测器送达并开始工作在月球背面这个“信息黑洞”。其对通信中继、自主导航以及在全新环境下开展工作的要求是极高的。

隼鸟2号的难度在于“极致的精细操作”和“在微重力下的复杂交互”。 它需要在一个引力微弱、地貌复杂、距离地球遥远的动态目标上,进行一系列精密的触碰、采样、甚至二次采样操作。这需要极高的自主性和对未知环境的适应性,以及对探测器本身极高的操控精度。

或许可以说,嫦娥四号更侧重于“在未知领域实现‘首次’的突破”,而隼鸟2号则更侧重于“在已知目标上实现‘极致’的操作”。两者都是人类智慧和工程能力的巅峰体现,都代表了各自国家在深空探索领域的重要飞跃。硬要分出“谁更难”,更像是比较两种不同风格的艺术作品的精妙之处,都有其不可替代的价值和难度所在。

网友意见

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客观对比的话,大概你会得到这样的一张表——

隼鸟二号 VS 嫦娥四号(部分类目含鹊桥)

与地球距离:3亿公里 VS 约40万公里

任务时长:5-6年(2014年底-2020) VS 3-4年(嫦娥三号为31个月,已考虑适当延寿)

轨道环绕速度:<1m/s (20km高度)VS ~1680m/s(取最近处约15km高度)

落区范围:边长~6米 VS 边长十几公里

再入地球:是 VS 否

探测器全重:609公斤 VS ~3800公斤(着陆器,含140公斤月球车)&448公斤(鹊桥)

主要载荷:

光学相机、近红外光谱仪、热红外成像仪、激光高度计、弹射式采样杆及配套组件、标记球x5、巡视器x2、着陆器x1、135mm自锻成型炮弹x1、8mm子弹xN以及配套的组件

VS

着陆器系统载荷:降落相机、地形地貌相机、激光测距仪、激光三维成像仪、低频射线频谱仪、月表中子与辐射剂量探测仪(德制)、中性原子探测仪(瑞典制)、低频射电探测仪(荷制)、小型光学成像仪(沙特制)、同位素热源、微生态系统科普载荷

&巡视器系统载荷:全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、中性原子探测仪

&中继星系统载荷:光学相机、低频射电探测仪、大孔径角锥反射镜

以及配套的组件

任务亮点:地外小行星采样返回 VS 月球背面着陆,地月L2点中继通信


经过了这些对比之后,你会发现这两个技术难度从不同的层次上来看显然是不一样的。

从距离上看,隼鸟二号的距离更远,通讯延迟达到了一个相当的地步,因此其自主性要求更高;但考虑到地月的通讯延迟问题,实际上也需要具有相当的自主性,特别是在下降段的要求更高,否则任务就有较高的失败风险。同时,漫长的距离对测距精度的要求更高,虽然有NASA协力,但既然讲任务性质,依然需要考虑这部分因素,因此总体上看隼鸟二号更胜一筹

从任务时长上看,越长的任务时间对航天器的可靠性要求更高。不过如果给点力,让“鹊桥”服役5年帮一把美国人的话,嫦娥四号的场子就又能找回来了。不过考虑到“隼鸟”有大部分的时间是在奔向目标星球以及返航,这段时间往往会休眠;而嫦娥四号又有一半的时间在过月夜,也是休眠,因此实际上真正工作的时长到底谁更长也不好说。就在这里认为隼鸟二号更胜一筹。

轨道环绕速度跟落区范围需要着重提一下。有些人可能认为嫦娥四号的落区范围大,因此就比不过隼鸟二号。其实不然,这个问题需要考虑很多方面的因素。如果一个探测器的轨道速度比较大,那么在时间误差一定的情况下,其预定落区的范围自然就比较大。将这个因素划入考量范围的话,两者其实也差不太多。此外,下降点高度由于会有后续悬停的计划,也会不断发生变化。隼鸟二号在500米高度、45米高度、8.5米高度左右进行悬停避障,嫦娥四号在100米高度左右,此时基本上大局已定,后续的操作是精避障。因此在这里的话二者可以说是不分伯仲,任务性质的不同,天体特点的不同都将导致避障策略的不同。

在整个任务中,隼鸟二号还需要再入大气层,同时综合考虑任务载荷以及探测器尺寸,隼鸟二号在系统的集成度以及系统小型化方面无疑是十分顶尖的。从载荷的创(nao)新(dong)性上看,隼鸟二号也是敢做一些尝试,使用了一些特殊的探测技巧,相比而言嫦娥四号就显得比较中规中矩,不过大身板有大身板的好处,嫦娥四号系统能够携带更多的科学仪器实现现场原位勘测,而且其中含有相当的国际科研载荷,甚至还有余量携带一个科普载荷,发挥了自身的优势。算上“鹊桥”系统的话,基于地月L2点的中继通讯的难度也比较大,因此在科研载荷以及任务复杂度上而言,二者可以认为是不分伯仲

因此从以上的内容来看,隼鸟二号的技术难度要相对更大一些,但双方的任务属性其实并不太一样,且中日两国的航天战略也有着本质的不同,我国的航天战略相对要更全面,而日本的航天战略适配自身发展需求,专精几点。相信在未来,我们不仅也会开展小行星探测的航天活动,同时也将继续密切与周边航天国家的沟通合作,共同和平利用太空。(评价度+100)

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