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权威刊物详解中国探月卫星嫦娥1号研制过程

http://www.enorth.com.cn  2005-06-23 09:18
 

 

  中国第一颗探月卫星嫦娥1号目前正按计划进行研制。卫星各关键技术已获得突破性进展,初样星的研制工作进展顺利。它将在未来两年内用长征3号甲运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。对于这次世人瞩目的探月行动,业内权威杂志《中国航天》刊载长文,对这次浪漫新奇之旅进行了全方位的解读。

  科学与工程目标

  中国探月卫星工程有四大科学目标:

  一是获取月球表面三维立体影像,从而划分月球表面的基本地貌和构造单元,初步编制月球地质与构造纲要图,为后续优选软着陆区提供参考依据。目前世界上还没有覆盖整个月面的影像;中国如能获取全月面三维影像,对于更好地了解月球的地质构造和演化历史有着重要的意义。中国将争取比国外已有的此类图像做得更完整、更精细。

  二是分析月面有用元素含量和物质类型的分布特点,即对月面有用元素进行探测,初步编制各元素的月面分布图。美国已做了5种有用元素的全球性分布与含量,嫦娥1号将探测月面钛和铁等14种可能有开发利用前景的重要元素的分布特点和规律。

  三是探测月壤特性。中国将首次开展月面的微波辐射探测,获取月壤厚度的全月分布特征,研究月表年龄及演化,估算月壤中氦3的分布和资源量。目前月球上已知矿物有100多种,其中有5种连地球上都没有。尤其是氦3。它是一种安全、高效、清洁的新型核聚变燃料,可改变人类社会的能源结构,但在地球上十分罕见。每100吨氦3原料足可以解决全球一年的电力供应,而月球上的氦3储量据估算有500万吨,可满足人类1万年以上的供电需求。每克黄金价值11美元,而每克氦3是400美元。月球潜在矿产资源和能源的开发利用前景,已成为各主要航天国家组织重返月球和开展月球探测的最主要动力。

  四是探测地月空间环境,将记录原始太阳风数据,研究太阳活动对地月空间环境的影响。

  上述前三项工作国外还未曾进行过,第四项为中国首次在地球静止轨道以外获取空间环境数据。

  中国探月卫星工程还有五大工程目标:一是研制和发射中国第一颗探月卫星;二是初步掌握绕月探测基本技术;三是首次开展月球科学探测;四是初步构建月球探测航天工程系统;五是为月球探测后续工程积累经验。为此要突破月球探测卫星的关键技术;初步建立中国的深空探测工程大系统;验证有效载荷和数据解译等各项关键技术;初步建立中国深空探测技术研制体系;培养相应的人才队伍。

  工程计划表

  据透露,嫦娥1号工程于2004年9月以前完成工程总体和各系统的详细方案设计;2005年底完成探月卫星初样产品研制和相关试验;2006年10月前完成探月卫星正样产品的设计、研制、总装、测试和各项试验,完成运载火箭正样投产任务,完成测控和发射场系统技术改造和调试任务,完成地面应用系统组装和调试任务;力争2006年12月发射升空。

  嫦娥1号卫星方案具有较好的继承性,设计的功能和技术性能指标满足任务要求;卫星总体与各分系统之间、卫星与各大系统之间接口要求明确,大型试验项目安排及试验方案合理可行;研制技术流程完整,计划流程合理可行;卫星进行了可靠性和安全性设计,可靠性关键项目明确,测试覆盖性分析的项目完整,因此已转入初样阶段的研制工作。

  嫦娥1号卫星按方案完成初样试制后,将进入初样试验阶段。初样产品将对设计、工艺和方案进行实态验证,进一步完善方案,为飞行试验产品研制提供全面、准确的依据,为发射星奠定技术基础。

  在工程的具体实施上,嫦娥1号工程系统由月球探测卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用等五大系统组成。

  日趋稳定的平台

  众所周知,人造卫星由卫星平台与有效载荷两部分组成。嫦娥1号也不例外。

  该探月卫星的平台以中国已成熟的东方红3号卫星平台为基础进行研制,并充分继承中国资源2号卫星和“中巴地球资源卫星”等的现有成熟技术和产品,进行适应性改造。所谓适应性改造就是在继承基础上的创新,包括突破一批关键技术,例如三维定向技术,即使卫星的太阳能电池板、探测头和传输信息的天线分别时刻对准太阳、月亮和地球。这样一个三维控制系统过去是没有的,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月平仪的研制等也都需要开展技术攻关。

  选用东方红3号卫星平台主要是由于它的高度可靠性。自该卫星平台1997年5月首次投入使用后,中国已用其研制并发射了“北斗”等至少6颗卫星。该卫星平台采用了许多较先进的技术,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。不过,嫦娥1号的卫星平台比一般人造地球卫星在轨道,测控,制导、导航与控制系统和热控分系统等方面都有自己的独特之处。

  目前,中国航天器所到达的距地球最远距离约为7万千米(2003年12月30日发射的探测1号卫星)。而要实现月球探测,须使航天器飞出地球引力场,进入到38万千米远的空间。由于月球以及月球与地球、太阳的相对关系具有其固有的特点,因此嫦娥1号卫星与一般的地球卫星有很大不同,研制并发射月球探测卫星要解决轨道设计,制导、导航与控制(包括对月姿态确定技术),测控与数据传输,星上热控和电源分系统设计等关键技术问题。

  预计卫星总重2350千克,本体尺寸2000毫米×1720毫米×2200毫米,采用三轴稳定姿态控制,对月定向工作。卫星在轨运行寿命大于1年。

  任务决定载荷

  根据中国探月卫星工程的四大科学目标,嫦娥1号选用的有效载荷有6套24件,包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、伽马/X射线谱仪、微波探测仪和太阳风粒子探测器等。其中CCD立体相机是拍摄全月面三维影像的专用相机,在中国属首次使用;成像光谱仪用于获取月面光波图谱;伽马/X射线谱仪用于探测月球表面元素;微波探测仪除用于获取月壤厚度信息外,还能给出月球背面的亮度温度图和月球两极地面的信息。

  由激光器、望远镜和接收电路三部分组成的激光高度计,由中科院上海技术物理研究所研制。它在探月卫星的发射阶段和转移阶段都处在“睡眠状态”。卫星进入环月轨道后,激光高度计首先向月面发射激光束,并立刻用望远镜把反射回来的光束变成电信号;接着,接收电路盒将迅速进行精确计算,用最短时间得出该探测点的月球海拔高度。激光高度计完成绕月旅行,月面每个探测点的海拔高度就一清二楚了。这些数值一旦与CCD立体相机拍摄的平面图像相叠加,就是一幅完整而精确的月面三维地形图。只要激光高度计发射的探测点足够密,就能获得覆盖整个月球的地形图,包括人类探月活动从未涉及的月球两极区域。

  据探月专家介绍,美国、欧空局、俄罗斯和日本等以前从未在探月过程中使用过可以全天候、全天时工作和具有一定穿透能力的微波遥感技术,所以嫦娥1号上的微波探测仪是世界上首次在探月卫星上装载微波遥感装置,用以实现对月面更为细致深入的探测,并将对所发回的数据进行反演和解析。不过,由于月球远离地球,对月球进行微波遥感探测有很大的技术难度和一定的风险。为确保探测成功和能稳定地发回数据,现正加强对月球微波遥感的地面仿真研究,在借鉴以往经验的基础上做相应的技术改进。

  嫦娥1号有效载荷共重130千克。早在2004年1月7日,所有24件仪器就完成了首轮联合测试,结果相当成功。测试表明,探测仪器设计中的一些关键技术问题已基本攻克,并解决了设备间的接口技术。全部探测仪器于2004年9月交付,并与卫星平台一起进行噪声、振动、辐射和真空等各种空间环境的模拟测试。

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稿源 中国新闻网 编辑 姚国健
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