لندر ماه چانگای چین – اولین فرود موفق در سمت پنهان ماه

لندرهای چانگای قلب تپنده برنامه کاوش قمری چین هستند و ماژولهای رباتیک پیشرفتهای به شمار میروند که فرود نرم روی ماه را با دقت بالا انجام میدهند. این لندرها کاوشگرهای خودران را مستقر میکنند و تحقیقات علمی طولانیمدت را با ابزارهای دقیق اجرا مینمایند. وزن هر کدام حدود ۱۲۰۰ کیلوگرم است و قطر ۱.۶ متر با ارتفاع ۱.۵ متر دارند. پنلهای خورشیدی تاشو انرژی تولید میکنند و در دماهای شدید و تشعشعات کیهانی حداقل یک سال فعالیت دارند. از آلیاژهای سبک و کامپوزیتهای مقاوم ساخته شدهاند و با پیشرانش دقیق و حسگرهای پیشرفته، فرود ایمن را تضمین میکنند. ابزارهای علمی مانند دوربین پانوراما و طیفسنج حمل میکنند و کاوشگر Yutu را جدا مینمایند تا کاوش گستردهتر ممکن شود.
این لندرها نماد خودکفایی چین در فضا هستند و از موتورهای بومی YF-3A با ثورست ۳۰۰۰ نیوتن استفاده میکنند. موفقیتهای لندر ماه چانگای ۳، ۴، ۵ و ۶ چین را به قدرت اصلی کاوش ماه تبدیل کرده و دادههای ارزشمندی از ترکیبات معدنی، یخ آب و تاریخ زمینشناختی ماه جمعآوری نمودهاند. این فناوریها پایه مأموریتهای آینده مانند Chang’e ۷ (کاوش قطب جنوب) و Chang’e ۸ (پایگاه دائمی) هستند و در ایستگاه تحقیقاتی قمری بینالمللی (ILRS) نقش کلیدی ایفا میکنند.
معرفی برنامه فضایی چانگای چین
برنامه چانگای ابتکار جامع آژانس فضایی ملی چین (CNSA) است که در ژانویه ۲۰۰۴ با هدف کاوش گامبهگام ماه راهاندازی شد. این برنامه از مدارگردی تا فرود، جمعآوری نمونه و ساخت پایگاه دائمی را شامل میشود. در سه فاز اصلی سازماندهی شده: فاز اول با مدارگردهای Chang’e 1 و 2، فاز دوم با فرودهای Chang’e 3 و 4، و فاز سوم با بازگشت نمونه Chang’e 5 و 6. بودجه آن حدود ۱۰ میلیارد دلار تخمین زده میشود و از پایگاه ونچانگ با موشکهای لانگ مارچ پرتاب میگردد. با همکاری آکادمی CAST فناوریهای بومی توسعه یافته و نام برنامه از الهه ماه در اساطیر چینی گرفته شده است.
این برنامه دستاوردهای بزرگی مانند کشف یخ آب در قطبها داشته و خودکفایی در پرتاب و ارتباطات را تقویت کرده است. همکاری با روسیه برای ILRS ادامه دارد و مأموریتهای انسانی تا ۲۰۳۰ را هدف قرار داده است. بیش از ۵۰ هزار صفحه داده علمی تولید شده و دانش جهانی از ماه را غنیتر کرده است.
هدف از طراحی لندر ماه چانگای
لندرهای چانگای برای فرود دقیق و استقرار کاوشگرهای خودران طراحی شدهاند تا تحقیقات سطحی و زیرسطحی طولانیمدت انجام دهند. ترکیبات معدنی را تحلیل میکنند، یخ آب را جستجو مینمایند و نقشهبرداری سهبعدی برای مأموریتهای انسانی آینده فراهم میآورند. فناوریهای کاوش را آزمایش میکنند، خودکفایی چین را تضمین مینمایند و با ابزارهای پیشرفته دادههای واقعیزمان ارسال میکنند. دانش تکامل ماه را گسترش میدهند، هدایت رباتیک و مدیریت انرژی در خلأ را توسعه میبخشند و ILRS را حمایت میکنند.
طراحی بر پایداری تمرکز دارد و شبهای ۱۴ روزه بدون خورشید را با باتریهای پیشرفته تحمل میکند. از کاوش سمت پنهان تا جمعآوری نمونه پیشرفت کرده و چین را به پیشرو تبدیل نموده است. پایه پایگاه دائمی تا ۲۰۳۶ را میسازد و همکاری جهانی را تسهیل میکند.
مأموریتهای چانگای از ۱ تا ۶
| شماره مأموریت | سال پرتاب | نوع مأموریت | هدف اصلی |
|---|---|---|---|
| چانگای ۱ | ۲۰۰۷ | مداری (Orbiter) | نقشهبرداری کامل از سطح ماه و تهیه دادههای توپوگرافی |
| چانگای ۲ | ۲۰۱۰ | مداری (Orbiter) | تصاویر با وضوح بالاتر از سطح ماه و آزمایش فناوریهای جدید |
| چانگای ۳ | ۲۰۱۳ | فرودگر و ماهنورد (Lander & Rover) | اولین فرود نرم چین روی ماه و اکتشاف با ماهنورد یوتو (Yutu) |
| چانگای ۴ | ۲۰۱۸ | فرودگر و ماهنورد | اولین فرود در سمت پنهان ماه و انجام آزمایشهای علمی سطحی |
| چانگای ۵ | ۲۰۲۰ | بازگشت نمونه (Sample Return) | جمعآوری و بازگرداندن حدود ۲ کیلوگرم خاک ماه به زمین |
| چانگای ۶ | ۲۰۲۴ | بازگشت نمونه (Sample Return) | جمعآوری نمونه از سمت پنهان ماه؛ مأموریت پیشرفته و تاریخی |
مأموریتهای فضایی چانگای (Chang’e 1–6)
برنامه لندر ماه چانگای با مأموریتهای مدارگردی آغاز شد و به فرودهای پیچیده و بازگشت نمونه رسید تا تاریخ کاوش قمری چین را رقم بزند. Chang’e 1 در ۲۴ اکتبر ۲۰۰۷ پرتاب شد و اولین مدارگرد چینی بود که در مدار قطبی ۲۰۰ کیلومتری نقشه راداری کامل ماه را با رزولوشن ۱ متری ایجاد کرد و در مارس ۲۰۰۹ با سقوط کنترلشده به پایان رسید. Chang’e 2 در ۱ اکتبر ۲۰۱۰ با رزولوشن بهبودیافته ۰.۵ متری دادههای دقیقتری برای انتخاب محلهای فرود جمعآوری کرد، ۲۵ ماه فعال ماند و سپس به مدار L2 آفتاب-زمین رفت تا تستهای عمیق فضایی انجام دهد.
چانگای ۳ در ۲ دسامبر ۲۰۱۳ اولین فرود نرم چین را در دریای بارانیها انجام داد و rover Yutu را مستقر کرد که با سرعت ۱۸۰ متر بر ساعت ۲۲ متر کاوش نمود و ۱۰۰ گیگابایت داده از ترکیبات سطحی تولید کرد. نسخه ۴ در ۸ دسامبر ۲۰۱۸ تاریخساز شد و اولین فرود سمت پنهان را در دهانه Von Kármán ممکن ساخت، Yutu-2 بیش از ۱ کیلومتر کاوش کرد و ۳ ترابایت داده از حوضه South Pole-Aitken ارسال نمود. لندر چانگای ۵ در ۲۴ نوامبر ۲۰۲۰ ۱.۷۳۱ گرم نمونه از Oceanus Procellarum جمعآوری کرد و در ۱۶ دسامبر بازگرداند تا قدیمیترین مواد قمری را آشکار نماید. چانگای ۶ در ۳ می ۲۰۲۴ ۱.۹۳۵ گرم نمونه از Apollo Basin سمت پنهان جمعآوری کرد و در ۲۵ ژوئن بازگرداند، بیش از ۱۰ ترابایت داده تولید نمود و چین را به پیشرو جهانی تبدیل کرد.
مشخصات فنی لندر ماه چانگای چین
لندرهای چانگای با وزن ۱۲۰۰ کیلوگرم و rover ۱۴۰ کیلوگرم طراحی شدهاند تا در محیط خشن قمری عملکرد بهینه داشته باشند. ابعاد دایرهای با قطر ۱.۶ متر و ارتفاع ۱.۵ متر دارند و پنلهای خورشیدی ۱.۶۵ مترمربعی تا ۱.۸ کیلووات قدرت تولید میکنند. باتریهای لیتیوم-یون ۲۰۰ آمپرساعت شبهای ۱۴ روزه قمری را پوشش میدهند و سیستم پیشرانش با ۴ موتور YF-3A ثورست ۳۰۰۰ نیوتن هر کدام ارائه میدهد. حسگرهای هدایت IMU دقت ۰.۰۱ درجه دارند و رادار ارتفاعسنج لیزری رزولوشن ۰.۱ متر فرود سرعت ۲ متر بر ثانیه را نرم میکند.
ارتباطات S-band با سرعت ۲ کیلوبیت بر ثانیه برای دستورات و X-band با ۱۶۵ کیلوبیت بر ثانیه برای تصاویر ویدیویی است. کامپیوتر بومی با پردازنده ۲۰۰ مگاهرتز و حافظه ۲ گیگابایت کار میکند و زره حرارتی لایههای چندگانه دماهای -۱۸۰ تا ۱۲۰ درجه سلسیوس را تحمل مینماید. سیستم خنککننده رادیاتوری حرارت را دفع میکند و در Chang’e 6 بازوی رباتیک ۲ متری اضافه شد تا وزن به ۱۴۰۰ کیلوگرم برسد و مأموریتهای طولانیتر ممکن گردد.
تجهیزات علمی و ابزارهای تحقیقاتی لندر
لندرهای چانگای مجهز به ابزارهای پیشرفته علمی هستند تا رازهای سطح و زیرسطح ماه را کشف کنند. دوربین پانورامای سهبعدی با رزولوشن ۱۶۵ مگاپیکسل تصاویر ۳۶۰ درجه با دقت ۰.۱ درجه تولید میکند و سطح را به طور کامل نقشهبرداری مینماید. رادار نفوذکننده ماه با فرکانسهای ۶۰ و ۴۰۰ مگاهرتز ساختار زیرسطح تا عمق ۱۰۰ متر را بررسی میکند و وجود یخ آب را تشخیص میدهد. طیفسنج VNIS در محدوده مرئی تا نزدیک مادون قرمز (۰.۴-۳.۳ میکرومتر) ترکیبات معدنی مانند بازالت را تحلیل میکند و APXS عناصر سبک از سدیم تا اورانیوم را با دقت ۱ درصد شناسایی مینماید.
در Chang’e 4 آشکارساز نوترون هیدروژن را بررسی میکند و دوزیمتر تابش ذرات کیهانی را اندازهگیری مینماید تا محیط برای مأموریتهای انسانی ارزیابی شود. کاوشگر Yutu با مته ۳۰ سانتیمتری و بازوی ۱.۵ متری نمونهبرداری میکند و طیفسنج مادون قرمز دما و گازهای سطحی را اندازهگیری مینماید. بیش از ۱۰۰ گیگابایت داده در هر مأموریت ارسال شده و ۱۷ ماده معدنی جدید مانند Changesite-(Y) کشف گردیده است.
نحوه فرود کنترلشده در سطح ماه
فرود کنترلشده لندر ماه چانگای یکی از پیچیدهترین مراحل مأموریت است که با دقت مهندسی بالا اجرا میشود. فرآیند از جداسازی در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری آغاز میگردد و موتورهای اصلی ثورست را فعال میکنند تا سرعت مداری ۱.۶ کیلومتر بر ثانیه را به صفر برسانند. رادار ارتفاعسنج لیزری پالسهایی ارسال میکند و فاصله را هر ۰.۱ ثانیه اندازهگیری مینماید تا سیستم هدایت و کنترل (GNC) با الگوریتمهای پیشبینیکننده مسیر را بر اساس توپوگرافی اصلاح کند. در ارتفاع ۳۰ متری سطح، پدالهای فرود با ۴ پا و جذبکننده شوک هیدرولیکی باز میشوند و موتورهای کوچک سرعت را به کمتر از ۲ متر بر ثانیه کاهش میدهند.
حسگرهای بصری موانع را اسکن میکنند تا AI سطح ناهموار را تشخیص دهد و دقت فرود را به ۱۰۰ متر برساند. در Chang’e 3 این فرآیند در ۱۰ دقیقه کامل شد و لرزش به ۰.۵ g محدود گردید تا تجهیزات علمی ایمن بمانند.
ارتباط با زمین و ماهواره کویچیاو
سیستم ارتباطی لندرهای چانگای برای انتقال داده از فاصله ۳۸۰ هزار کیلومتری طراحی شده و حتی سمت پنهان ماه را پوشش میدهد. ارتباط مستقیم با زمین از طریق باند S با سرعت ۲ کیلوبیت بر ثانیه برای دستورات و باند X با ۱۶۵ کیلوبیت بر ثانیه برای تصاویر ویدیویی انجام میشود. آنتنهای omnidirectional و high-gain سیگنال را به مدارگرد یا ایستگاههای CNSA در شیان میفرستند و تأخیر ۱.۳ ثانیهای با بافرهای داده مدیریت میگردد. رمزنگاری AES امنیت اطلاعات را تضمین میکند تا دادههای حساس علمی حفاظت شود.
برای سمت پنهان، ماهواره رله کویچیاو در مدار L2 هاله قرار دارد و با فاصله ۷۹ هزار کیلومتری آنتن ۴.۲ متری سیگنالهای X-band را تقویت و به زمین منتقل میکند. در Chang’e 4 بیش از ۱.۲ ترابایت داده رله شد و Queqiao-2 در Chang’e 6 تأخیر را به ۰.۸ ثانیه کاهش داد. توان ۲۰ وات به صورت ۲۴ ساعته فعال است و حالت ذخیرهسازی داده قطع موقت را پوشش میدهد.
مأموریت چانگای ۳؛ نخستین گام موفق چین روی ماه
چانگای ۳ در ۱۴ دسامبر ۲۰۱۳ اولین فرود نرم موفق چین را در دریای بارانیها (Mare Imbrium) ثبت کرد و نقطه عطفی در برنامه فضایی این کشور شد. لندر با موفقیت مستقر گردید و تنها ۲ ساعت پس از فرود، rover Yutu با سرعت ۱۸۰ متر بر ساعت جدا شد تا ۲۲ متر مسیر را طی کند و تصاویر پانوراما از سطح بازالتی ارسال نماید. لندر ابزارهای VNIS و APXS را فعال کرد تا ترکیبات آهن و تیتانیوم را با دقت بالا تحلیل کند و Yutu با رادار LPR لایههای زیرسطحی تا عمق ۳۰ متر را بررسی نماید. وجود شیشههای آتشفشانی تأیید شد و ۱۰۰ گیگابایت داده ارزشمند تولید گردید تا فناوری فرود چین به سطح جهانی برسد.
Yutu تا ۲۵ ژانویه ۲۰۱۴ فعال بود اما نقص در مکانیسم باتری فعالیت آن را متوقف کرد. لندر ماه چانگای تا سال ۲۰۱۶ ادامه داد و دادههای حرارتی از شبهای قمری ثبت نمود تا موفقیت اعتمادبهنفس برای مأموریتهای سمت پنهان ایجاد کند. چین سومین کشور پس از شوروی و آمریکا شد که روی ماه فرود میآورد.
مأموریت چانگای ۴؛ فرود در سمت پنهان ماه
چانگای ۴ در ۳ ژانویه ۲۰۱۹ تاریخساز شد و اولین فرود بشر در سمت پنهان ماه را در دهانه Von Kármán انجام داد تا رازهای هزاران ساله این منطقه را آشکار کند. Yutu-2 مستقر گردید و بیش از ۱ کیلومتر کاوش کرد تا دادههای منحصربهفرد از حوضه South Pole-Aitken جمعآوری نماید. ترکیبات متفاوت با سمت نزدیک آشکار شد: آهن کمتر و هلیوم-۳ بیشتر که پتانسیل انرژی آینده را نشان میدهد. لندر تصاویر ۳۶۰ درجه از منظره ناهموار ارسال کرد و رادار LPR لایههای باستانی ۳.۹ میلیارد ساله را اسکن نمود تا تاریخ تکامل ماه روشنتر شود.
آشکارساز نوترون وجود هیدروژن را بررسی کرد و یخ آب در قطب جنوب را تأیید نمود. ماهواره Queqiao ارتباط را برقرار کرد و ۳ ترابایت داده منتقل شد. Yutu-2 رکورد ۹۷۰ روز فعالیت زد و لندر تا ۲۰۲۱ ادامه داد تا درک ناهمسانیهای دو نیمه ماه دگرگون گردد.
لندر ماه چانگای ۵؛ مأموریت جمعآوری و بازگرداندن نمونه
چانگای ۵ در ۲۴ نوامبر ۲۰۲۰ با موشک لانگ مارچ ۵ پرتاب شد و در ۱ دسامبر در Oceanus Procellarum فرود آمد تا اولین مأموریت بازگشت نمونه پس از ۴۴ سال باشد. بازوی رباتیک ۲ متری فعال شد و مته ۲ متری ۱.۷۳۱ گرم نمونه از لایههای سطحی تا عمق ۲ متر جمعآوری کرد. شامل بازالتهای ۲ میلیارد ساله و شیشههای آتشفشانی بود که вулканиسم دیرهنگام ماه را اثبات میکند. صعودگر نمونه را به مدار برد و با مدارگرد docking دقیق انجام داد تا کپسول در ۱۶ دسامبر در صحرای گوبی فرود آید.
ابزارهای VNIS و APXS ترکیبات را تحلیل کردند و ۱۷ ماده معدنی جدید کشف شد که Changesite-(Y) یکی از آنهاست. فناوری docking قمری و ورود مجدد بهبود یافت و بیش از ۲ ترابایت داده ارسال گردید تا چین سومین کشور جمعآورنده نمونه قمری شود.
چانگای ۶؛ توسعه مأموریتهای بازگشت نمونه
چانگای ۶ در ۳ می ۲۰۲۴ پرتاب شد و در ۱ ژوئن در Apollo Basin سمت پنهان فرود آمد تا پیچیدهترین مأموریت بازگشت نمونه را اجرا کند. ابزارهای پیشرفته فعال شدند و مته خودکار با بازوی رباتیک ۱.۹۳۵ گرم نمونه از لایههای ۲ متری جمعآوری کرد. مواد باستانی ۲.۵ میلیارد ساله و ذرات خورشیدی نادر یافت شد که تاریخ اولیه منظومه شمسی را روشن میکند. صعودگر نمونه را به مدار برد و Queqiao-2 ارتباط را پشتیبانی کرد تا کپسول در ۲۵ ژوئن در مغولستان فرود آید.
LPR ساختارهای زیرسطحی تا ۱۰۰ متر را اسکن کرد و VNIS تفاوتهای معدنی بین دو نیمه ماه را آشکار نمود. AI نمونهبرداری هوشمند را توسعه داد و بیش از ۳ ترابایت داده ارسال شد تا پتانسیل هلیوم-۳ برجسته گردد و فناوری بازگشت برای ILRS بهینه شود.
چالشهای حرارتی و تابشی در سطح ماه
محیط قمری با تغییرات دمایی شدید از -۱۳۰ درجه سلسیوس در شب تا ۱۲۰ درجه در روز تجهیزات را با انبساط و انقباض تهدید میکند. لندر ماه چانگای با عایقهای چندلایه MLI و رادیاتورهای حرارتی دما را در محدوده ۰-۳۰ درجه نگه میدارند تا مدارهای الکتریکی سالم بمانند. تابش کیهانی تا ۱ سیورت در سال ذرات پرانرژی را ارسال میکند که DNA و الکترونیک را آسیب میزند. زره آلومینیومی ۵ میلیمتری با محفظههای ضدتابش ۹۹ درصد مقاومت ایجاد میکند و دوزیمترها سطوح را به طور مداوم نظارت مینمایند.
در سمت پنهان شبهای ۱۴ روزه بدون خورشید باتریها را به چالش میکشد اما چانگای ۴ با حالت خواب، مصرف را به ۱۰ وات کاهش داد. این چالشها دوام لندرها را به ۳ سال رساند و فناوریهای مقاوم برای مأموریتهای انسانی آینده حیاتی است.
نحوه کنترل از راه دور و هدایت هوشمند لندر ماه چانگای
کنترل لندر ماه چانگای از مرکز CNSA با تأخیر ۱.۳ ثانیهای انجام میشود و دستورات از طریق باند S ارسال میگردد تا لندر با همان باند پاسخ دهد. هدایت هوشمند با الگوریتمهای AI مانورهای خودکار را اجرا میکند و از برخورد با craters اجتناب مینماید. دوربینهای استریو و لیدار با رزولوشن ۰.۱ متر محیط را اسکن میکنند و rover با چرخهای ۶ تایی مسیر را با ۲۰۰ متر بر ساعت طی میکند. در Chang’e 6 یادگیری ماشین نمونهبرداری را بر اساس ترکیبات معدنی بهینه کرد و دقت را به ۱۰ سانتیمتر رساند.
۸۰ درصد عملیات به صورت خودکار مدیریت میشود و ردیابی دوطرفه با GPS قمری NetPDR موقعیت را بهروزرسانی مینماید تا موفقیت ۱۰۰ درصدی در مناطق دور تضمین گردد.
محلهای فرود و انتخاب منطقه فون کارمان
محلهای فرود بر اساس دادههای دقیق مدارگردهای Chang’e 1 و 2 انتخاب میشوند تا ایمنی و ارزش علمی حداکثر باشد. Chang’e 3 در Mare Imbrium فرود آمد تا بازالتهای باستانی و ترکیبات آتشفشانی را بررسی کند. Chang’e 4 در دهانه Von Kármán با قطر ۱۸۶ کیلومتر و عمق ۵ کیلومتر انتخاب شد که شیب کمتر از ۵ درجه و موانع بزرگ ندارد. این منطقه در حوضه South Pole-Aitken قرار دارد و مواد ۳.۹ میلیارد ساله را برای مطالعه تکامل ماه ارائه میدهد. پتانسیل یخ آب در قطب جنوب و هیدروژن برای تحقیقات آینده ایدهآل است.
Chang’e 6 در Apollo Basin با قطر ۸۳ کیلومتر فرود آمد و مدلهای توپوگرافی سهبعدی با شبیهسازی دقت ۱۰۰ متری را تضمین کرد تا دانش تکامل ماه افزایش یابد و ILRS مناسب گردد.
تفاوت فناوری چانگای با مأموریتهای آپولو
لندر ماه چانگای کاملاً رباتیک و خودکار عمل میکند و لندرهای خورشیدی آن ۱-۳ سال عمر دارند تا داده مداوم جمعآوری کنند. آپولو ناسا انسانی بود و ماژول قمری LM فقط ۳ روز کاوش محدود با سوخت شیمیایی داشت. چانگای سمت پنهان را با رله ماهوارهای کاوش میکند اما آپولو فقط سمت نزدیک را پوشش داد و فاقد AI بود. چانگای رادار زیرسطحی و طیفسنجهای پیشرفته دارد تا ساختار داخلی و ترکیبات را بررسی کند در حالی که آپولو نمونهبرداری دستی بدون rover انجام میداد.
چانگای با هزینه ۱ میلیارد دلار در مأموریت ارزانتر و مقیاسپذیر است اما آپولو ۲۵ میلیارد دلاری بر سرعت تمرکز داشت. چانگای برای پایگاه دائمی طراحی شده در حالی که آپولو اکتشافی کوتاهمدت بود.










