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10月1日18时59分57秒,
嫦娥二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。
在零星细雨中起飞约25分钟后,火箭把卫星送入近地点高度200公里、远地点高度约38万公里的地月转移轨道。这标志着我国成功突破直接地月转移轨道发射技术。
再过112个小时,这颗卫星将抵达38万公里之外的月球附近。经过3次近月制动,卫星将建立起距月球100公里的圆轨道。
在轨工作期间,卫星还将降至15公里高度,对嫦娥三号备选着陆区进行拍摄。图像的成功传回,将成为嫦娥二号飞行任务圆满成功的重要标志。
中国月球探测工程分为3个阶段实施。继嫦娥一号完成以“绕”为目标的一期任务后,嫦娥二号、三号、四号将共同组成以“落”为目标的二期工程。
探月工程总设计师吴伟仁说,目前,嫦娥三号和四号正在进行初样研制,着眼于“回”的三期工程已完成方案论证。
“至于载人登月,我国尚无具体时间表。”吴伟仁说。
嫦娥二号卫星任务实施过程有五大关节点。
发射升空“嫦娥”再添俩助推器
将嫦娥一号卫星送上太空的是长征三号甲运载火箭,而本次发射将使用长征三号丙运载火箭。
中国运载火箭技术研究院总体设计部高级工程师李聃说,长征三号甲系列火箭包括长征三号甲、长征三号乙和长征三号丙三种构型。长征三号甲系列火箭的电气系统的单机、发电机等基本可以通用,差别在于长三乙是在长三甲的基础上捆绑了4个助推器,而长三丙是在长三甲的基础上捆绑了2个助推器。
从运载能力上看,长三甲火箭的标准地球同步转移轨道运载能力是2600公斤,长三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5500公斤,长三丙的运载能力为3800公斤。
“因为嫦娥二号的起飞重量是2480公斤,不必使用长三乙;但嫦娥二号要直接进入地月转移轨道,而长三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三丙。”李聃说。
地月转移“快速路”奔月仅7天
火箭发射后的146.6秒、257.9秒和332.4秒将分别进行二级分离、抛整流罩和三级分离,在发射后的1533秒进行星箭分离后,卫星将进入近地点高度200公里、远地点高度约38万公里的地月转移轨道直接奔月,而不是像嫦娥一号那样在环绕地球的调相过度轨道飞行7天后再进入地月转移轨道开始奔月。嫦娥二号直接奔月只需要7天,这是一大创新。
“打个比方,嫦娥一号是我们的大姑娘,大姑娘远嫁月球,先围着‘娘家’绕了3圈,走了14天才到月球;嫦娥二号是二姑娘,我们希望她能够走捷径,直接进入38万公里的奔月轨道。”探月工程总设计师吴伟仁说,这样既可以节省火箭推进剂,也可以为卫星探测和试验留出更多时间。
近月制动“急刹车”确保被捕获
当星箭分离后卫星将进入地月转移轨道时,其速度将超过第一宇宙速度,达到约11公里每秒。此后,嫦娥二号卫星将经历太阳翼展开、修正轨道、空间环境探测、巡航、X频段测试实验、紫外导航试验等步骤,这个过程将历时约112小时,与嫦娥一号卫星的114小时大致相当。
当卫星到达月球附近的特定位置时,卫星就必须“急刹车”,也就是近月制动,以确保卫星既能被月球准确捕获,也不会撞上月球,并由此进入近月点100公里、周期12小时的椭圆轨道。再经过两次轨道调整,进入100公里的极月圆轨道。
“相比嫦娥一号在距月面200公里处被月球捕获,嫦娥二号将在距月面100公里处进行制动,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,这大大提高了对卫星制动控制精度的要求。”嫦娥二号卫星总设计师黄江川说。
择机降轨近月点拍摄亲密接触
当嫦娥二号卫星进入100公里的极月圆轨道之后,卫星将择机变轨,进入100公里×15公里椭圆轨道与月球“亲密接触”——用CCD立体相机在15公里近月点拍摄分辨率优于1.5米的虹湾预选着陆区图像,并验证轨道机动与快速测定轨等相关技术,为后续着陆任务做准备。
“月球上的高山和沟谷与地球大体相似,按月平面计算的话,有10公里左右的高山,也有10公里左右的沟谷,这对我们的卫星控制技术和测控技术的要求更高了,因为弄不好就可能撞到月球上去。”吴伟仁说。
返回轨道全载荷开机展开探测
卫星在100公里×15公里轨道运行1-2天后,将返回100公里环月轨道,全部载荷将开机,继续开展为期约半年的技术试验和科学探测。
嫦娥二号卫星将利用CCD立体相机和改进的激光高度计进行月面地形地貌探测,获得分辨率优于10米的月表图像和更精细的月表高程数据,为后续着陆区优选提供依据,同时为划分月球表面的地貌单元精细结构、断裂和环形构造提供原始资料。
此外,嫦娥二号卫星还将利用改进的γ/X射线谱仪、微波辐射计、空间环境探测仪等设备,对月表元素和物质成分、月壤特性、地月空间环境进行探测,以估算月壤厚度,获得更高空间分辨率和探测精度的元素分布图。
五大系统负责人解读嫦娥二号探月任务
铺就“快速路”奔月仅需7天
作为中国探月工程二期的先导星,嫦娥二号将飞向月球,执行二期工程部分关键技术试验和继续月球科学探测研究的任务。
与三年前的嫦娥一号飞行相比,这次任务有什么不同?组成工程的各系统发生了什么样的变化?来自探月工程五大系统的负责人对此作出全方位解读。
卫星:“探路先锋”走得更近
中国空间技术研究院研制的卫星,加上中国科学院研制的有效载荷,共同组成了“嫦娥二号”卫星系统。这颗被航天人称为“嫦娥二姑娘”的卫星跟嫦娥一号大小完全相同,与大多数地球同步轨道卫星和“神舟”飞船相比,则娇小得多。
【专家解读】如果说嫦娥一号是为中国人开启通往月球之路的钥匙,嫦娥二号就是实现最终目标的又一“探路先锋”。嫦娥二号卫星总设计师黄江川介绍,仅从工程角度而言,这颗卫星的主要任务是验证距月面100公里近月制动的月球轨道捕获技术、验证100公里×15公里轨道机动与飞行技术等6项关键技术。
沿着奔月“快速路”,嫦娥二号不再像嫦娥一号那样在环绕地球的椭圆轨道上“逗留”数天,而是直接从地月转移轨道飞向月球,直接奔月只需要7天。黄江川说,此外,这颗卫星环月飞行的高度由嫦娥一号的200公里变为100公里,距月球更近。
火箭:新搭档瞄准“移动靶”
长征三号丙就像“金牌火箭”长征三号甲的孪生兄弟,只是多出两个助推器。这一结构上的变化,把火箭的运载能力从2.65吨提升到了3.8吨。
作为嫦娥卫星的新“搭档”,这枚火箭在嫦娥飞行中的“亮相”同样短暂:天气晴好的话,肉眼能看到发射后约146秒时的一二级分离;云层如果过厚,火箭仅几秒钟就会“消失”在人们的视线里。
【专家解读】改用长征三号丙火箭作为运载工具,是为了实现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。
“这是我们第一次执行到地月转移轨道的发射任务。如果说以往的发射是打固定靶,这次就是打移动靶。”火箭系统总指挥岑拯说。
发射场:“零窗口”一如既往
发射嫦娥二号的是西昌卫星发射中心发射场的二号塔架。以其97.7米的高度和发射长三甲系列火箭的全覆盖能力,这座建于1990年的发射架被称为“亚洲第一塔”。
【专家解读】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”。发射场系统总指挥李尚福说,为确保嫦娥二号发射成功,发射场进行了包括更新测量雷达、更新遥测系统等在内的上百项技术改进,进一步提高了可靠性和整体发射能力。
与嫦娥一号一样,嫦娥二号发射瞄准的是“零窗口”。李尚福说,在35分钟的窗口时间内,“零窗口”发射能比按照窗口后沿发射节省180公斤卫星燃料。对于所携燃料仅1300多公斤的嫦娥二号卫星来说,这一点弥足珍贵。
测控:让“风筝”飞得更远
北京航天飞行控制中心、西安卫星测控中心、远赴大洋的海上测量船、建于南美测控站以及欧洲空间局所属测控站……北京飞控中心指控大厅长12米、宽4米的巨幅显示屏上,测控系统的各单元构成了一幅完整的画面。
【专家解读】精确测轨和准确的轨道控制,是嫦娥二号测控的最大难点。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、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。
嫦娥二号还肩负一项重要任务——验证对嫦娥三号至关重要的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。”测控系统总设计师钱卫平介绍说,“飞行器是风筝,测控通信系统是风筝线,我们地面控制人员就是放风筝的人。”钱卫平说。
地面应用:给月球拍“特写”
从开始奔月起,嫦娥二号获得的探测数据就源源不断传输到国家天文台运控中心。它们结出的科学之果,会被这里的科学家们毫无保留地捧到中国和世界的公众面前。
【专家解读】嫦娥二号比嫦娥一号科学探测的内容更多,精度更高。
嫦娥二号所携CCD相机的分辨率有了量级性提高,从120米提高至优于10米。地面应用系统总指挥刘晓群说,嫦娥一号拍下了中国人的第一幅月球全图,距月球更近的嫦娥二号必将获取更为清晰的月图,尤其是嫦娥三号预选着陆地区的高分辨率图像。
地面应用系统总指挥刘晓群坦承,嫦娥一号月图出现瑕疵不是有效载荷的问题,而是后期处理时由于时间过于紧张出现的拼接错误。“我们汲取教训,再也不会出现这样的失误。”
落月或回“娘家”二姑娘何去何从
当嫦娥二号卫星完成预定的试验验证和科学探测任务后,卫星将何去何从?嫦娥二号卫星系统总设计师黄江川说,有三种可能的结局。
一种意见是,可以根据卫星在轨运行的情况,考虑卫星落月,这将为“嫦娥三号”等后续任务提供技术验证。
第二种设想是让嫦娥二号飞出地月环境,飞向更远的太空,验证我国更远宇宙空间的深空探测能力。
第三种设想是让嫦娥二号回“娘家”,即让它沿着月地转移轨道,飞回地球并成为地球卫星。
黄江川说,最终采用哪种方式,还要看前期主任务执行情况以及卫星的状态和能力。到时候各方专家将汇集在一起,共同研究,决定嫦娥二号的终极命运。
月球能否“抓”住三环节风险最大
航天专家认为,嫦娥二号任务中,有几个环节风险比较大。
第一个环节就是火箭把卫星发射到近地点200公里、远地点约38万公里的奔月轨道,能不能精确入轨是这个环节当中最被关注的问题。
第二个环节是卫星到达月球附近时,能不能被月球捕获。弄得不好,有可能撞击月球,也有可能跑了,月球“抓”不住了。
第三个环节就是15公里降轨。为嫦娥二号选择的着陆区在月球的正面,所以降轨的时候必须在月球的背面,对背面我们地面测控够不着,完全靠卫星自主控制,这里有难度。
“睁大眼”看虹湾三姑娘选着陆区
虹湾地区是我国嫦娥三号的预选着陆区,按照探月二期工程计划,嫦娥二号卫星将对这一区域进行分辨率优于1.5米的成像试验,为嫦娥三号探路。
虹湾是怎样一个地方?为什么选择这里作为嫦娥三号的预选着陆区?
虹湾,又名“彩虹湾”。当我们仰望夜空时,就能看到月球上有大面积的暗黑色区域,那就是月海。月海并不是真正意义上的海,而是由类似地球玄武岩的岩石组成的平原,月海伸向月陆的部分称为月湾和月沼,虹湾就是月球的月湾之一。
据探月工程总设计师吴伟仁介绍,虹湾位于月球北纬43度左右、西经31度左右,南北长约100公里、东西长约300公里。“我们选了四五个预选着陆区,首选是虹湾,因为该地区地质构造复杂,有典型性,具有很高的科学探测价值,这是出于科学的考虑。”吴伟仁说。
“月球上有些地方其他国家已经去过了,我们要选择一个其他国家没有探测过的地方。”吴伟仁说。本版稿件、图片据新华社