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10月1日18時59分57秒,
嫦娥二號在西昌衛星發射中心成功昇空,中國探月工程二期揭開序幕。
在零星細雨中起飛約25分鍾後,火箭把衛星送入近地點高度200公裡、遠地點高度約38萬公裡的地月轉移軌道。這標志著我國成功突破直接地月轉移軌道發射技術。
再過112個小時,這顆衛星將抵達38萬公裡之外的月球附近。經過3次近月制動,衛星將建立起距月球100公裡的圓軌道。
在軌工作期間,衛星還將降至15公裡高度,對嫦娥三號備選著陸區進行拍攝。圖像的成功傳回,將成為嫦娥二號飛行任務圓滿成功的重要標志。
中國月球探測工程分為3個階段實施。繼嫦娥一號完成以『繞』為目標的一期任務後,嫦娥二號、三號、四號將共同組成以『落』為目標的二期工程。
探月工程總設計師吳偉仁說,目前,嫦娥三號和四號正在進行初樣研制,著眼於『回』的三期工程已完成方案論證。
『至於載人登月,我國尚無具體時間表。』吳偉仁說。
嫦娥二號衛星任務實施過程有五大關節點。
發射昇空『嫦娥』再添倆助推器
將嫦娥一號衛星送上太空的是長征三號甲運載火箭,而本次發射將使用長征三號丙運載火箭。
中國運載火箭技術研究院總體設計部高級工程師李聃說,長征三號甲系列火箭包括長征三號甲、長征三號乙和長征三號丙三種構型。長征三號甲系列火箭的電氣系統的單機、發電機等基本可以通用,差別在於長三乙是在長三甲的基礎上捆綁了4個助推器,而長三丙是在長三甲的基礎上捆綁了2個助推器。
從運載能力上看,長三甲火箭的標准地球同步轉移軌道運載能力是2600公斤,長三乙是我國目前最大的高軌道運載火箭,它的運載能力達到了5500公斤,長三丙的運載能力為3800公斤。
『因為嫦娥二號的起飛重量是2480公斤,不必使用長三乙;但嫦娥二號要直接進入地月轉移軌道,而長三甲的運載能力不足以把衛星送入地月轉移軌道,所以最後選擇使用長三丙。』李聃說。
地月轉移『快速路』奔月僅7天
火箭發射後的146.6秒、257.9秒和332.4秒將分別進行二級分離、拋整流罩和三級分離,在發射後的1533秒進行星箭分離後,衛星將進入近地點高度200公裡、遠地點高度約38萬公裡的地月轉移軌道直接奔月,而不是像嫦娥一號那樣在環繞地球的調相過度軌道飛行7天後再進入地月轉移軌道開始奔月。嫦娥二號直接奔月只需要7天,這是一大創新。
『打個比方,嫦娥一號是我們的大姑娘,大姑娘遠嫁月球,先圍著「娘家」繞了3圈,走了14天纔到月球;嫦娥二號是二姑娘,我們希望她能夠走捷徑,直接進入38萬公裡的奔月軌道。』探月工程總設計師吳偉仁說,這樣既可以節省火箭推進劑,也可以為衛星探測和試驗留出更多時間。
近月制動『急剎車』確保被捕獲
當星箭分離後衛星將進入地月轉移軌道時,其速度將超過第一宇宙速度,達到約11公裡每秒。此後,嫦娥二號衛星將經歷太陽翼展開、修正軌道、空間環境探測、巡航、X頻段測試實驗、紫外導航試驗等步驟,這個過程將歷時約112小時,與嫦娥一號衛星的114小時大致相當。
當衛星到達月球附近的特定位置時,衛星就必須『急剎車』,也就是近月制動,以確保衛星既能被月球准確捕獲,也不會撞上月球,並由此進入近月點100公裡、周期12小時的橢圓軌道。再經過兩次軌道調整,進入100公裡的極月圓軌道。
『相比嫦娥一號在距月面200公裡處被月球捕獲,嫦娥二號將在距月面100公裡處進行制動,飛行速度更快,軌道更低,制動量更大,同時月球不均勻重力場對衛星軌道的攝動影響也相應增大,這大大提高了對衛星制動控制精度的要求。』嫦娥二號衛星總設計師黃江川說。
擇機降軌近月點拍攝親密接觸
當嫦娥二號衛星進入100公裡的極月圓軌道之後,衛星將擇機變軌,進入100公裡×15公裡橢圓軌道與月球『親密接觸』——用CCD立體相機在15公裡近月點拍攝分辨率優於1.5米的虹灣預選著陸區圖像,並驗證軌道機動與快速測定軌等相關技術,為後續著陸任務做准備。
『月球上的高山和溝谷與地球大體相似,按月平面計算的話,有10公裡左右的高山,也有10公裡左右的溝谷,這對我們的衛星控制技術和測控技術的要求更高了,因為弄不好就可能撞到月球上去。』吳偉仁說。
返回軌道全載荷開機展開探測
衛星在100公裡×15公裡軌道運行1-2天後,將返回100公裡環月軌道,全部載荷將開機,繼續開展為期約半年的技術試驗和科學探測。
嫦娥二號衛星將利用CCD立體相機和改進的激光高度計進行月面地形地貌探測,獲得分辨率優於10米的月表圖像和更精細的月表高程數據,為後續著陸區優選提供依據,同時為劃分月球表面的地貌單元精細結構、斷裂和環形構造提供原始資料。
此外,嫦娥二號衛星還將利用改進的γ/X射線譜儀、微波輻射計、空間環境探測儀等設備,對月表元素和物質成分、月壤特性、地月空間環境進行探測,以估算月壤厚度,獲得更高空間分辨率和探測精度的元素分布圖。
五大系統負責人解讀嫦娥二號探月任務
鋪就『快速路』奔月僅需7天
作為中國探月工程二期的先導星,嫦娥二號將飛向月球,執行二期工程部分關鍵技術試驗和繼續月球科學探測研究的任務。
與三年前的嫦娥一號飛行相比,這次任務有什麼不同?組成工程的各系統發生了什麼樣的變化?來自探月工程五大系統的負責人對此作出全方位解讀。
衛星:『探路先鋒』走得更近
中國空間技術研究院研制的衛星,加上中國科學院研制的有效載荷,共同組成了『嫦娥二號』衛星系統。這顆被航天人稱為『嫦娥二姑娘』的衛星跟嫦娥一號大小完全相同,與大多數地球同步軌道衛星和『神舟』飛船相比,則嬌小得多。
【專家解讀】如果說嫦娥一號是為中國人開啟通往月球之路的鑰匙,嫦娥二號就是實現最終目標的又一『探路先鋒』。嫦娥二號衛星總設計師黃江川介紹,僅從工程角度而言,這顆衛星的主要任務是驗證距月面100公裡近月制動的月球軌道捕獲技術、驗證100公裡×15公裡軌道機動與飛行技術等6項關鍵技術。
沿著奔月『快速路』,嫦娥二號不再像嫦娥一號那樣在環繞地球的橢圓軌道上『逗留』數天,而是直接從地月轉移軌道飛向月球,直接奔月只需要7天。黃江川說,此外,這顆衛星環月飛行的高度由嫦娥一號的200公裡變為100公裡,距月球更近。
火箭:新搭檔瞄准『移動靶』
長征三號丙就像『金牌火箭』長征三號甲的孿生兄弟,只是多出兩個助推器。這一結構上的變化,把火箭的運載能力從2.65噸提昇到了3.8噸。
作為嫦娥衛星的新『搭檔』,這枚火箭在嫦娥飛行中的『亮相』同樣短暫:天氣晴好的話,肉眼能看到發射後約146秒時的一二級分離;雲層如果過厚,火箭僅幾秒鍾就會『消失』在人們的視線裡。
【專家解讀】改用長征三號丙火箭作為運載工具,是為了實現火箭直接將衛星發射至地月轉移軌道的發射技術。縮短衛星的奔月路程和時間,看上去是多『送』了衛星一程,其實是以更大的推力給了衛星更高的初始速度。
『這是我們第一次執行到地月轉移軌道的發射任務。如果說以往的發射是打固定靶,這次就是打移動靶。』火箭系統總指揮岑拯說。
發射場:『零窗口』一如既往
發射嫦娥二號的是西昌衛星發射中心發射場的二號塔架。以其97.7米的高度和發射長三甲系列火箭的全覆蓋能力,這座建於1990年的發射架被稱為『亞洲第一塔』。
【專家解讀】發射場是嫦娥衛星飛天的港灣,也是火箭、衛星的『體檢中心』和『加油站』。發射場系統總指揮李尚福說,為確保嫦娥二號發射成功,發射場進行了包括更新測量雷達、更新遙測系統等在內的上百項技術改進,進一步提高了可靠性和整體發射能力。
與嫦娥一號一樣,嫦娥二號發射瞄准的是『零窗口』。李尚福說,在35分鍾的窗口時間內,『零窗口』發射能比按照窗口後沿發射節省180公斤衛星燃料。對於所攜燃料僅1300多公斤的嫦娥二號衛星來說,這一點彌足珍貴。
測控:讓『風箏』飛得更遠
北京航天飛行控制中心、西安衛星測控中心、遠赴大洋的海上測量船、建於南美測控站以及歐洲空間局所屬測控站……北京飛控中心指控大廳長12米、寬4米的巨幅顯示屏上,測控系統的各單元構成了一幅完整的畫面。
【專家解讀】精確測軌和准確的軌道控制,是嫦娥二號測控的最大難點。增加一艘遠洋測量船、優化軌道控制策略、研制S/X頻段統一測控系統、改造青島站和喀什站……測控系統的種種改進,都是圍繞這一點。同時,測控系統預設了衛星入軌異常、發動機故障等共106種預案故障模式,制定了153種故障處理對策。
嫦娥二號還肩負一項重要任務——驗證對嫦娥三號至關重要的X頻段測控技術。『X頻段具有頻率高、傳輸帶寬寬等特點,是未來深空探測的主用頻段。』測控系統總設計師錢衛平介紹說,『飛行器是風箏,測控通信系統是風箏線,我們地面控制人員就是放風箏的人。』錢衛平說。
地面應用:給月球拍『特寫』
從開始奔月起,嫦娥二號獲得的探測數據就源源不斷傳輸到國家天文臺運控中心。它們結出的科學之果,會被這裡的科學家們毫無保留地捧到中國和世界的公眾面前。
【專家解讀】嫦娥二號比嫦娥一號科學探測的內容更多,精度更高。
嫦娥二號所攜CCD相機的分辨率有了量級性提高,從120米提高至優於10米。地面應用系統總指揮劉曉群說,嫦娥一號拍下了中國人的第一幅月球全圖,距月球更近的嫦娥二號必將獲取更為清晰的月圖,尤其是嫦娥三號預選著陸地區的高分辨率圖像。
地面應用系統總指揮劉曉群坦承,嫦娥一號月圖出現瑕疵不是有效載荷的問題,而是後期處理時由於時間過於緊張出現的拼接錯誤。『我們汲取教訓,再也不會出現這樣的失誤。』
落月或回『娘家』二姑娘何去何從
當嫦娥二號衛星完成預定的試驗驗證和科學探測任務後,衛星將何去何從?嫦娥二號衛星系統總設計師黃江川說,有三種可能的結局。
一種意見是,可以根據衛星在軌運行的情況,考慮衛星落月,這將為『嫦娥三號』等後續任務提供技術驗證。
第二種設想是讓嫦娥二號飛出地月環境,飛向更遠的太空,驗證我國更遠宇宙空間的深空探測能力。
第三種設想是讓嫦娥二號回『娘家』,即讓它沿著月地轉移軌道,飛回地球並成為地球衛星。
黃江川說,最終采用哪種方式,還要看前期主任務執行情況以及衛星的狀態和能力。到時候各方專家將匯集在一起,共同研究,決定嫦娥二號的終極命運。
月球能否『抓』住三環節風險最大
航天專家認為,嫦娥二號任務中,有幾個環節風險比較大。
第一個環節就是火箭把衛星發射到近地點200公裡、遠地點約38萬公裡的奔月軌道,能不能精確入軌是這個環節當中最被關注的問題。
第二個環節是衛星到達月球附近時,能不能被月球捕獲。弄得不好,有可能撞擊月球,也有可能跑了,月球『抓』不住了。
第三個環節就是15公裡降軌。為嫦娥二號選擇的著陸區在月球的正面,所以降軌的時候必須在月球的背面,對背面我們地面測控夠不著,完全靠衛星自主控制,這裡有難度。
『睜大眼』看虹灣三姑娘選著陸區
虹灣地區是我國嫦娥三號的預選著陸區,按照探月二期工程計劃,嫦娥二號衛星將對這一區域進行分辨率優於1.5米的成像試驗,為嫦娥三號探路。
虹灣是怎樣一個地方?為什麼選擇這裡作為嫦娥三號的預選著陸區?
虹灣,又名『彩虹灣』。當我們仰望夜空時,就能看到月球上有大面積的暗黑色區域,那就是月海。月海並不是真正意義上的海,而是由類似地球玄武岩的岩石組成的平原,月海伸向月陸的部分稱為月灣和月沼,虹灣就是月球的月灣之一。
據探月工程總設計師吳偉仁介紹,虹灣位於月球北緯43度左右、西經31度左右,南北長約100公裡、東西長約300公裡。『我們選了四五個預選著陸區,首選是虹灣,因為該地區地質構造復雜,有典型性,具有很高的科學探測價值,這是出於科學的考慮。』吳偉仁說。
『月球上有些地方其他國家已經去過了,我們要選擇一個其他國家沒有探測過的地方。』吳偉仁說。本版稿件、圖片據新華社
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