月亮之上我飞翔——记“嫦娥2号”卫星成功发射

江爱国

(浙江省岱山中学,浙江岱山 316200)

2010年10月1日18时59分57秒,随着“嫦娥2号”在西昌卫星发射中心成功升空,中国探月工程二期揭开序幕.作为工程二期的技术先导星,它的主要任务是为“嫦娥3号”实现月面软着陆开展部分关键技术试验,并继续进行月球科学的探测和研究.它的成功发射极大地激发了国民对探月工程的关注热情,现整合各种媒体资料,把此次发射的各技术特征及技术突破点做一总结,供同行参考.

1 我国探月工程发展规划

考虑到我国科技水平、综合国力和国家整体发展战略,2020年前,我国月球探测工程以无人探测为主,分3个实施阶段.

“绕”:2004年～2007年(一期),研制和发射我国首颗月球探测卫星,实施绕月探测.这一阶段主要任务是研制和发射月球探测卫星,突破绕月探测关键技术,对月球地形地幔、部分元素及物质成分、月壤特性、地月空间环境等进行全球性、整体性与综合性的探测,并初步建立我国月球探测航天工程系统.

“落”:2013年前后(二期),进行首次月球软着陆和自动巡视勘测.主要任务是突破月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通讯与邑操作、深空探测运载火箭发射等关键技术,研制和发射月球软着陆探测器和巡视探测器,实现月球软着陆和巡视探测,对着陆区地形地貌、地质构造和物质成分等进行探测,并开展月基天文观测.“嫦娥3号”将于2013年前发射,并真正实现落月.“嫦娥3号”着陆后,将分为两部分:着陆器和月球车.月球车将在月球表面巡游,着陆器则定点守候.月球车将在月球探测90天,并抓取月壤在车内进行分析,得到的有关数据将直接传回地球.“90天内,月球车巡游的范围可达到5 km2.着陆器拍摄月球车巡游的图像也能传回到地面.月球赤道附近的虹湾地区是“嫦娥3号”着陆的首选.”

“回”:2020年前(三期),进行首次月球样品自动取样返回探测.主要任务是突破采样返回探测器小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等技术;在现场分析取样的基础上,采集关键性样品返回地球,进行试验室分析研究;深化对地月系统的起源与演化的认识.

在“绕”、“落”、“回”均成功实现以后,我国再进行下一步的人登上月球的计划.

2 “嫦娥2号”的技术创新与突破

一是突破运载火箭直接将卫星发射至地月转移轨道的发射技术.“嫦娥1号”是先发射到地球附近的过渡轨道,再经过自身多次调整进入奔月轨道;而“嫦娥2号”卫星将由运载火箭直接送入近地点200 km,远地点约38万km的奔月轨道,这样效率更高.“嫦娥1号”用了近 14天时间进入工作轨道,“嫦娥2号”5天以内就可做到.相比嫦娥1号任务,嫦娥2号任务对运载火箭推力要求更大,入轨精度和控制精度要求更高.

二是试验X频段深空测控技术,初步验证深空测控体制.“嫦娥2号”任务的飞行测控将首次验证我国新建的X频段深空测控体制.相比“嫦娥1号”任务中使用的S频段卫星测控网,X频段无线电传输信号频率更高,远距离测控通信效果更好.

三是验证100 km月球轨道捕获技术.相比“嫦娥1号”在距月面200 km处被月球捕获,“嫦娥2号”将在距月面100 km处进行制动,飞行速度更快,轨道更低,制动量更大,同时月球不均匀重力场对卫星轨道的摄动影响也相应增大,大大提高了对卫星制动控制精度的要求.

图1

四是验证100 km×15 km轨道机动与快速测定轨技术.“嫦娥2号”要验证100 km×15 km轨道机动与快速测定轨技术,测试将飞行轨道由100 km圆轨道调整为远月点100 km、近月点15 km的椭圆轨道的能力.

五是试验全新的着陆相机,数据传输能力大幅提高.“嫦娥2号”增加配置了降落相机,以检验对月成像能力,为“嫦娥3号”月面软着陆做准备.数据传输速率也由“嫦娥1号”的3兆每秒翻倍为6兆每秒,还将进行12兆每秒的传播速率试验.

六是对“嫦娥3号”预选着陆区进行高分辨率成像试验.“嫦娥 1号”搭载的CCD相机分辨率为120 m.而“嫦娥2号”在100 km圆轨道和100 km×15 km轨道的近月点处,将分别对“嫦娥3号”的预选着陆区进行优于10 m和1.5 m分辨率的成像试验,分辨率有了很大提高.

3 “嫦娥2号”奔月旅程

(1)10月1日18时59分 57秒箭点火起飞,11 s后在控制系统的控制下,火箭开始转弯.

(2)行约2 min,助推器分离.

(3)约30 s后,火箭一、二级分离.

(4)火箭冲出大气层后,抛掉整流罩.

(5)关闭二级主发动机,与三级火箭分离,三级发动机点火.

(6)三级发动机关机,火箭开始滑行.

(7)滑行至预定位置,三级发动机点火加速,经过末次修正,将卫星直接送入近地点200 km、远地点 38万km的奔月轨道.

(8)三级发动机关机,星箭分离.

(9)太阳翼监视相机开机,太阳翼展开(这是我国第一次实拍卫星飞行过程中的太阳翼展开图像).

(10)定向天线监视相机开机,定向天线展开对地定向.

(11)为消除卫星实际飞行的轨道误差,在奔月过程中“嫦娥2号”视情况安排两到3次轨道修正,保证卫星准确与月球轨道交汇.在修正过程中,卫星发动机监视相机开机,拍摄发动机点火过程.奔月过程中,卫星将打开空间环境探测设备,获取空间环境信息.卫星还将适时进行紫外导航试验.

(12)奔月飞行约112 h后,卫星到达月球附近,卫星进行最关键的一次轨道机动,即近月制动,一旦制动失败卫星将无法实现绕月飞行.在太空环境中实施制动,首先将卫星调整方向,使发动机喷嘴对准前进方向点火,实现减速.通过近月制动,卫星飞行速度降低到月球逃逸速度以下,被月球捕获后,进入近月点100 km、周期12 h的椭圆轨道,实现绕月飞行.

(13)卫星于近月点实施两次制动,逐步将轨道调整为100 km、周期117 min的月圆轨道,并在此轨道上开展探测活动.

(14)在环月探测飞行中,“嫦娥 2号”卫星将适时开展100 km×15 km的轨道机动试验,并对后续任务宏观预选着陆区,进行重点拍摄,获取分辨率优于1.5 m的高精度图像.1-2天后,卫星回到100 km环月圆轨道,开展环月球三维影像、月表物质成分和分布、月壤特性、月球空间环境等科学探测活动.

4 月球探测工程系统组成

(1)卫星系统“嫦娥2号”是月球探测卫星工程系统中最重要的一环,由中国空间技术研究院负责研制.该月球探测卫星选用“东方红3号”卫星平台,总质量2 480 kg,设计寿命半年.该星体尺寸为2 000 mm×1 720 mm×2 200 mm.“嫦娥 2号”上天时,还要随身携带 7种有效载荷,“7种武器”将帮助它完成一系列的科学探测任务.“7种武器”包括:CCD立体相机、激光高度计、X射线谱仪、γ射线谱仪、微波探测器、太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器.这“7种武器”可分为如下4类.

第1类是用来完成月球表面三维成像的,包括CCD立体相机和激光高度计.当年的“嫦娥1号”也有相机和激光高度计,但此次“嫦娥2号”的任务,这两个东西都重新研制了.“嫦娥1号”相机的分辨率是120 m,现在的分辨率要求小于10 m.激光高度计原来是1 s测1次,这次是1秒钟测5次.

第2类是用来探测月球表面物质的化学成分的,包括X射线谱仪、γ射线谱仪.“嫦娥 1号”也有这两种载荷,但此次γ谱仪的探测晶体灵敏度提高了,对X射线谱仪的谱段的选择也做了一些调整,应该能得到更好的探测结果.“嫦娥1号”探测的元素有14种,此次调整为重点探测 3种月表天然放射性元素和6种主量造岩元素的含量.

第3类是用于月壤探测的微波探测器.这是中国探月卫星的特点——国外的月壤探测没有采用微波频段,只能看到表面,没法穿透,我国采用4个微波的频段可以穿透月壤.这个微波探测器没有做太大改动,但是微波的特点是统计性的,数据越多分辨率越高,“嫦娥2号”探测结果会改进“嫦娥1号”所获得的一些数据.

第4类是用于探测地月空间环境的,包括太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器.这两个探测器也没怎么变.由于现在正处在第 24个太阳风年,太阳活动比“嫦娥1号”发射时剧烈,所以“嫦娥2号”的这两个探测器还肩负着对新的太阳风年进行探测的使命.

“嫦娥2号”比“嫦娥 1号”少了一种干涉成像光谱仪.“嫦娥1号”的相机分成CCD相机与干涉成像光谱仪两部分,经过“嫦娥1号”的测试,我国研制人员觉得干涉成像光谱仪能够提供的信息不多,所以把它去掉,换成一台高分辨率的相机.

(2)运载火箭系统

由中国运载火箭技术研究院负责研制.该火箭全长52.52 m,最大直径3.35 m.这是这种推力更大的新型火箭第一次用于探月发射,也是长征系列火箭的第131次飞行.由于该火箭拥有更灵活先进的控制系统,可以在星箭分离前对有效载荷进行大姿态调姿定向,并提供可调整的卫星起旋速率,因而具有很强的适应性.“长征3号丙”就像金牌火箭“长征3号甲”的孪生兄弟,只是多出两个助推器,如同两枚尾翼镶嵌在芯一级底部——这种“非全对称”式的外形,在“长征”系列火箭里是唯一的.该结构上的变化,把火箭的运载能力从2.65 t提升到了3.8 t.

之所以改用“长征3号丙”火箭作为“嫦娥2号”卫星的运载工具,是为了实现工程的第一项目标:突破火箭直接将卫星发射至地月转移轨道的发射技术.缩短卫星的奔月路程和时间,看上去是多“送”了卫星一程,其实是以更大的推力给了卫星更高的初始速度.从运载能力上看,“长征3号甲”火箭的标准地球同步转移轨道运载能力是2 600 kg,“长征3号乙”是我国目前最大的高轨道运载火箭,它的运载能力达到了5 500 kg.“长征3号丙”的运载能力达到了3 800 kg.为什么“嫦娥 2号”选择“长征3号丙”火箭呢?主要是因为“嫦娥2号”的起飞重量是2 480 kg,不必使用“长征3号乙”;但“嫦娥2号”要直接进入地月转移轨道,而“长征3号甲”的运载能力不足以把卫星送入地月转移轨道,所以最后选择使用“长征3号丙”.

(3)发射场系统

发射场系统由西昌卫星发射中心负责建设,选在西昌卫星发射中心其中一个原因是其纬度低,能够更好地利用地球自转速度发射大推力火箭.发射场是嫦娥卫星飞天的港湾,也是火箭、卫星的“体检中心”和“加油站”.为确保“嫦娥2号”发射成功,发射场进行了包括更新测量雷达、更新遥测系统、改造光学仪器、优化加注系统等在内的上百项技术改进,提高了可靠性和整体发射能力.

发射零窗口”是关键词之一.所谓“零窗口”,即指在预先计算好的发射时间,分秒不差地将火箭点火升空,不允许有任何延误与变更.在“零窗口”发射时火箭的发射时间几乎没有调整的余地,通常采用定时控制火箭点火的办法来实现“零窗口”的发射.如果火箭不能准时发射,则要推迟发射,等待下一次发射窗口,甚至要推迟一天或若干天才能发射.所以“零窗口”发射对火箭可靠性提出了更高的要求.

与“嫦娥1号”一样,“嫦娥 2号”发射瞄准的是“零窗口”.在35 min的窗口时间内,“零窗口”发射能比按照窗口后沿发射节省180 kg卫星燃料.对于所携燃料仅为1 300多 kg的“嫦娥2号”卫星来说,这一点弥足珍贵.

(4)测控系统

它由西安卫星测控中心和总装测通所负责建设.精确测轨和准确的轨道控制,是“嫦娥 2号”测控的最大难点.增加一艘远洋测量船,优化轨道控制策略,研制S/X频段统一测控系统,改造青岛站和喀什站……测控系统的种种改进,都是围绕这一点.同时,测控系统预设了卫星入轨异常、变轨未能实施或滞后实施、发动机故障等共106种预案故障模式,制定了153种故障处理对策.

更令人瞩目的是“嫦娥2号”肩负的一项重要任务——验证对“嫦娥3号”至关重要的X频段测控技术.

X频段具有频率高、传输带宽宽等特点,是未来深空探测的主用频段.在“嫦娥2号”卫星上搭载X频段应答机,与中国X频段地面测控设备配合验证X频段测控体制,将为“嫦娥3号”任务积累测控经验,为未来更远的深空探测奠定技术基础.

(5)地面应用系统

该系统由中科院空间科学与应用研究中心负责研制和建设,由数据接收、运行管理、数据预处理、数据管理、科学应用与研究5个分系统组成.

以前,我国在上海佘山和乌鲁木齐分别拥有一个直径25 m的天线,它们只能有4～6个小时可以用来接收卫星上的信息.为了探月工程计划的顺利实施,我国又在北京和昆明分别设两个直径为50 m(国内最大的)和40 m的天线.这样在我国的国土上,可用4个天线交叉干涉对近40万km远的嫦娥系列卫星进行测控,并为应对外界的干扰因素、意外因素,留有应急的能量.