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牵手月球
“牵手”月球
2007年11月7日,以“嫦娥一号”卫星准确进入周期为127分钟、200千米高度的月球轨道为标志,中国航天史上最远的“长征”以近乎完美的方式宣告成功。
“嫦娥一号”的首飞任务实现“准确发射,准确入轨,精密测控,准确变轨,成功绕月”,中国航天由此迈进深空时代。
那么,作为中国人开始深空探测的先驱,“嫦娥一号”奔月的背后有哪些鲜为人知的幕后故事?
中国的“嫦娥”又有哪些神秘之处?
神秘的“盖头”
生就一副“四方脸”,长着能辨别月球14种元素的“火眼金睛”和能接收38万千米外地球上信号的“顺风耳”,穿着能阻挡太阳辐射的金色“外套”……随着“嫦娥一号”卫星的顺利升空,盖在她头上的神秘盖头也终于揭开。
“嫦娥一号”卫星和所有人造卫星一样,由卫星平台和有效载荷两部分组成。
卫星总重2350千克,从外表看就是一个方方正正的大盒子,本体尺寸为2000毫米×1720毫米×2200毫米。
“嫦娥一号”的卫星平台以我国已成熟的“东方红”三号卫星平台为基础进行研制,并充分继承我国“资源二号”卫星和中巴地球资源卫星等现有的成熟技术和产品,是在较为成熟的平台上再进行适应性改造,包括突破一批关键技术,如三维定向技术,也就是时刻使卫星的太阳能电池板、探测头和传输信息的天线分别对准太阳、月亮和地球。
这样的三维控制系统在过去是没有的,技术难度相当高。
另外,在地球、月球和卫星三者间进行探月卫星的轨道设计和紫外线月平仪的研制等也都是进行技术攻关取得的新成果。
我国之所以选用“东方红”三号卫星平台,主要在于它的可靠性非常高。
这一卫星平台采用了许多先进的技术,如全三轴稳定、统一双组元液体推进、公用平台设计、大面积密栅太阳电池阵和高强度轻重量碳纤维多层复合材料等。
自1997年5月首次投入使用后,我国已用它研制并发射了至少6颗卫星。
由于要进行距地球38万千米的深空探测,而且月球与地球、太阳的相对关系比较复杂,因此“嫦娥一号”卫星与一般的地球卫星相比,加装了能够与地球进行通信信号传输的定向天线,搭载了对月球进行探测的8种探测仪器,在制导、导航与控制、星上热控和电源分系统设计等方面进行了许多创新,在轨道、测控、制导、导航与控制系统和热控分系统等方面也都有自己的独特之处。
虽然“嫦娥一号”卫星的运行寿命预计只有1年,但它作为中国人开始深空探测的先驱,将永载史册。
“嫦娥一号”定轨内幕
在“嫦娥”探月工程之前,中国测控的卫星最远离地距离8万千米,然而“嫦娥一号”要飞抵距地球38万千米的月球轨道,对其定轨测控是一大挑战。
“嫦娥一号”卫星首次采用了深空探测VLBI手段,使得卫星定位的探测精度大为提升。
VLBI是一种天文深空探测手段,当传统探测手段在卫星远程定轨上无计可施时,VLBI就派上了用场。
“嫦娥”卫星发出无线电信号,VLBI在不同地点建立基站接收信号,通过接收到的时间差测算出卫星位置。
“嫦娥一号”探月工程,中国在上海、乌鲁木齐、北京、昆明建立了四个VLBI基站,同一时间观测卫星信号。
四个基站通过宽带网将数据传送到上海的数据处理中心,处理后获得卫星轨道位置。
VLBI实际上类似于一个天文望远镜在对“嫦娥”进行观测,基站相距的距离就相当于望远镜口径,口径越大,分辨度越高,定位越准。
上海和乌鲁木齐的基站相距4000多千米,相当于望远镜有4000多千米的口径,使轨道测定更精确。
从“嫦娥一号”在地球轨道运行,到向月球轨道变轨,直至绕月飞行,VLBI手段在“嫦娥”探月工程方面运用得很成功。
我国采用VLBI网对卫星进行定轨,上海、北京、昆明、乌鲁木齐的4个VLBI观测站,组成了一张VLBI网,对卫星轨道进行测量、确定和预报。
众所周知,“嫦娥一号”卫星是按照预定的轨道飞行的,倘若它偏离轨道走“歪路”可怎么办呢?
由于VLBI可以实现高精度的微调,如果是偏了的话可以通过动力系统进行微调。
可喜的是,“嫦娥一号”的运行一直与原来设定的轨道吻合得很好。
VLBI跟踪从绕月轨道、地球轨道以及奔月轨道一路走来,监测足足持续一年,直到“嫦娥一号”陨落为止。
大力士的托举
“嫦娥一号”是我国的第三代通讯卫星,是以“东方红”三号卫星为基础改进成功的。
而“东方红”三号一直是用“长征三号”甲运载火箭发射的,颗颗都成功,因此,发射“嫦娥一号”也使用了“长征三号”甲运载火箭。
“长征三号”甲运载火箭是以中国运载火箭技术研究院为主体,历时8年研制的三级大型液体运载火箭,主要用于发射地球同步转移轨道(GTO)卫星,同时兼顾低轨道(LEO)、太阳同步轨道(SSO)等其他轨道卫星的发射,也可进行一箭双星或多星的发射。
火箭全长52.52米,其地球同步转移轨道运载能力为2600千克,低轨道运载能力约7200千克,太阳同步轨道运载能力约5200千克。
在充分继承原有“长征”型号火箭成熟技术的基础上,它采用了百余项新技术,大大提高了我国运载火箭的适应性,增强了其在国际商业发射市场上的竞争能力。
同时,它也凝聚了中国航天40多年来积累的实力,是我国“长征”火箭系列中一名出色的大力士。
我国的“长征三号”甲运载火箭(简称长三甲火箭)从1994年首飞至今发射了十几次,目前的发射成功率是100%。
但并不能说发射没有风险,从设计的角度讲,长三甲运载火箭设计的飞行可靠性指标是0.95,所以从严格的科学意义上讲,是不可能确保每一次发射都成功的,这也就是我们常说的航天发射既是高科技也是高风险的项目。
从“嫦娥一号”发射前的准备来说,存在发射中止的风险,如天气因素、发射前准备问题等。
长三甲火箭是我国大型三级低温液体运载火箭。
由于其低温推进剂液氢液氧温度非常低(摄氏零下253/183度),要求产品绝热性能要好,如果加注过程中或发射前出现管路或连接器泄漏、冻住等问题,将可能导致中止发射,再次组织发射至少在3天后,可能错过“嫦娥”的发射窗口。
火箭从准备点火、起飞到星箭分离的20多分钟的飞行过程中,有50多个重要的飞行动作或关键环节。
这些环节如果出现问题将可能导致发射失败。
具体来说,两大系统比较关键。
一是控制系统,它相当于人的大脑,是控制火箭飞行的神经中枢,主要由软件和电气系统产品构成,电气系统产品让人最担心的就是电子元器件的偶然失效。
二是动力系统,它是给火箭飞行提供动力的,它的许多低温活门非常精细,性能指标要求严格,有的导向间隙只有0.04~0.08毫米,若有多余物卡住,后果不堪设想。
因此,动力系统最怕的是多余物。
对这些环节的产品,科研人员都采取了措施,在地面进行了严格的测试检查。
这些动作和环节都经过了以前成功飞行的考验。
我国已经批准立项研制新一代大推力运载火箭。
2002年4月,中国航天科技集团公司完成了我国新一代运载火箭的总体发展规划,形成了“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体发展思路,并于2006年10月30日获国务院正式批准立项。
新一代大型运载火箭的研制需要突破大推力液氧煤油发动机技术、氢氧发动机技术、大直径箭体结构设计、试验与制造技术、电气系统一体化设计及冗余技术等多项关键技术,目前发动机已通过全系统试车,其它关键技术也取得了实质性进展,相关的技术攻关工作正在进行。
调相轨道与变轨
卫星飞到月球有几种方法,一种是直接飞向月球,如美国的“阿波罗”计划。
但根据我国的情况,“嫦娥一号”探月采用的是卫星变轨的方法。
卫星的动力系统发动机推力比较小,不可能很快地提供速度飞到月球,所以采用的是逐步加速的方法。
调相轨道,又称之为过渡轨道,就是指卫星飞到月球要在轨道上过渡一下。
其作用一方面是在轨道飞行,一方面是加速,分三次加速进入奔月轨道。
调相轨道分三种,一种是分离后最初进入的轨道,16小时调相轨道,要在此轨道飞行三圈,卫星发动机再加速,进入到24小时调相轨道,这是第二步。
第三个调相轨道是48小时轨道。
调相轨道还有一个很重要的作用:
卫星在天空飞行时受到外界各种因素的影响,要进行修整,通过调相轨道可以逐步把轨道测得很准。
在48小时再次加速就进入奔月轨道,就直接飞往月球了。
调相轨道还有一个作用是调整发射时间的误差。
比如说发射需35分钟,因为某种原因超过发射窗口,可以通过改变调相轨道的飞行周期,卫星再飞到月球上去。
那么这样做的能源来自于哪里?
卫星有一个非常重要的分系统――推进分系统,它的主要功能是使探测器在脱离火箭推力环境后,在太空中运行很长时间,可能要进行各种姿态的调整、进行速度的提升、速度的变化等,都需要能源。
就像汽车要有汽油使汽车加速,通过刹车系统使汽车减速一样。
当飞行器需要提高速度时,就可以通过这个推进系统使它的推力与速度的方向恰好相同,把速度增加。
当飞行器需要减速时,可以把卫星调一个个儿,使推力和速度方向相反产生刹车的作用,这是由推进分系统完成的。
它的具体能源是使用了双阻燃料。
其实这是一种普通的常见原料,并不是我们想象中很先进的燃料。
在空气中燃烧需要氧气和燃料,而在真空中没有空气,卫星上必须自己带氧气,这种氧气是液体的,这就是双阻燃料的由来。
除了汽油之外还要带氧气,二者混合起来才能燃烧。
北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星实施首次变轨使卫星的近地点高度由约200千米抬高到了约600千米。
那么,卫星的变轨究竟是怎么回事?
所谓变轨,顾名思义就是改变飞行器在太空中的运行轨道。
受运载火箭发射能力的局限,卫星往往不能直接由火箭送入最终运行的空间轨道,而是要在一个椭圆轨道上先行过渡。
在地面跟踪测控网的跟踪测控下,选择合适时机向卫星上的发动机发出点火指令,通过一定的推力改变卫星的运行速度,达到改变卫星运行轨道的目的。
变轨是一项非常尖端的测控技术,对卫星轨道的测量、发动机点火时间的计算以及遥控技术均提出了很高的要求。
成功投身月球“怀抱”
从地球起飞的“嫦娥一号”在地月转移轨道上经过5天的长途跋涉,终于来到了距月球约4000千米的近月点。
此时,“嫦娥”必须降低飞行速度,才能被月球引力所捕获,成为一颗月球卫星。
为此,专家们为其设计了特殊的刹车程序。
“嫦娥”身上装备了1台大推力的变轨发动机和12台小推力的推力器,在它们的帮助下,通过三次刹车,它将会进入月球引力场,从而被月球捕获,而其轨道也逐步由周期为12小时的环月椭圆轨道变成周期为127分钟的环月圆轨道。
之后,每50天“嫦娥一号”还将进行一次轨道调整,使其保持在高度为距离月球表面200千米左右的范围内。
这样,“嫦娥一号”卫星就可以稳定地运行在预定轨道上,欣赏月球美景。
那么,“嫦娥一号”为什么选择高度为200千米左右的工作轨道?
这主要是因为其上搭载的cCD立体相机、激光高度计、微波探测仪等有效载荷,在这个距离上能够充分发挥性能,具备完成获取月球表面三维影像、分析月球表面元素含量和物质类型的分布特点、探测月壤特性、探测地月空间环境等4大科学目标的能力。
就如同我国的载人飞船在323千米高度的轨道上飞行,而通信卫星在约36000千米高度的轨道上飞行一样,飞行器的轨道高度并不代表控制难度,也与技术先进与否无关。
如果“嫦娥一号”选择其他高度的工作轨道,一样也能够进行控制,但可能影响一些仪器性能的发挥。
成功的突破
成功将“嫦娥一号”送到距离地球38万千米以外的空间,是一件难度非常高的事情。
相对于普通的地球卫星,“嫦娥一号”的成功发射及运行使我国取得了自主创新的突破性成果。
根据其任务的要求、特点,科研人员解决了以下几个方面的难点。
轨道设计“嫦娥一号”的飞行轨道是比较复杂的轨道,在地球附近要做三次变轨,还要中途修正,并做三次近月制动,最终才能到达月球轨道。
且其与常规地球卫星不同,“嫦娥一号”面临地球、月球、太阳三个天体的作用,因为三个天体是相对在运动的,所以其轨道设计的难度比较大,这是第一个难点。
测控与通信因为“嫦娥一号”要被送到距离地球38万千米以外的空间,对于这样远距离的测控我国在之前的卫星是没有的,现在整个测控的过程都要依赖于自身的条件。
我国还不具备完整的深空探测网,还是依托于以往的测控网和天文台的一些观测网,依赖这两个测控网来完成远距离测控,这是其任务的第二个难点。
热控设计 热控设计主要是因为“嫦娥一号”飞行距离距地球较远,中间要经过月表环境,月表还有一些红外辐射的影响,如“嫦娥一号”环月飞行后在轨道上运行,对着月球的一面温度会比较高,背月的一面温度会比较低,整个温度可以说忽冷忽热,因此温度水平的保持对电子设备有很大的影响,需要找到一个很好的设计方法,这也是一个很大的难点。
三体定向 还有一个难点,就是要实现三体定向。
所谓三体定向就是说搭载的有效载荷要对月球拍图成像,需要装有有效载荷的一面面对月球。
另外,要把获取的数据传回地球(“嫦娥”配备了一个定向天线,定向天线要指向地球)。
为了保证太阳能的供给,“嫦娥”配置的太阳翼一面要指向地球,一面要指向月球,还有一面要指向太阳,这就是三体定向的难点。
这次绕月探测工程,是我国科学家和工程师自主提出的科学目标和工程目标。
在工程实施过程中,我国突破了以往地球轨道的限制,成功地解决了以上各种难点,使“嫦娥一号”成功地飞向月球。
为了解决这个问题,我国利用成熟的火箭和卫星技术完成了这个新的任务,相应地解决了月球环境、奔月轨道、远距离测控等工程技术问题。
这包含了我们国家工程技术人员的许多创新工作。
同时,在科学探测上,我国科学家提出的科学目标,符合当前国际上月球探测的主流,所有科学仪器设备都是我们研制的,科学目标是我们提出的,一些项目是世界首次的,如微波辐射计探测月壤厚度、立体成像技术等。
“嫦娥一号”是我国第一次对月球表面进行全月面三维立体照相,这对月球表面形貌、地质构造、撞击坑等的研究,具有重大意义。
我国计划探测月球表面14种元素的含量和分布,用于月球科学研究和月球旷物资源调查,为月球的开发和资源利用奠定基础。
我们也是第一次探测全月球表面的月壤厚度,用于研究月球表面的风化历史和调查资源。
“嫦娥一号”绕月探测工程是我国航天事业的第三个里程碑,是我国完全自主创新的航天工程,“嫦娥一号”卫星是我国飞出地球的第一个飞行器,具有划时代的意义。
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