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原是“嫦娥一号”的备份星
从人类探测和开发月球的进程来看,可分为探、登、驻三个大的阶段。探就是用无人航天器靠近或降落月球表面,包括采样返回对月球进行探测。登就是派人乘坐载人航天器登陆月球进行实地考察。驻就是在月球上建立基地可供人居住并开发利用其资源。直至目前,世界上只有美国实现了派人登月,其他掌握航天技术的国家还都处在探月阶段。
我国的探月工程又称嫦娥工程。它由探月器、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大系统组成。首个探月器就是“嫦娥一号”卫星。卫星质量为2.35吨,装有一台变轨发动机和多台姿控发动机。星上装置有效载荷130公斤,由8种科学仪器和相关设备组成,肩负着获取月面三维彩色影像、探明月面14种元素的含量和分布、初步测量月壤厚度和探测地月空间环境四项使命。
由于是首次研制和发射探月卫星,要迈出深空探测的步伐,在我国航天发展史上竖起第三个里程碑,故而起步工作非常谨慎,当时就为“嫦娥一号”准备了一颗备份星。目的是万一前者发射失利,在总结经验教训的基础上,很快就能进行补充发射,不至于过久地耽误探月工程第一步的进展时间。世界各国航天事业发展过程中,发射深空探测器失败的事例很多,事实一再证明航天技术是既具高收益又具高风险的高科技。仅从1959年1月至2010年9月的探月活动来说,全球共进行了126次发射,成功或基本成功63次,概率为50%。由此即可看出,我国当时采取这种做法的重要性。实际上,人们不太知道的是,为了应对我国首次探月活动高技术、高风险的挑战,当时还备份了一枚长征三号甲运载火箭。因为运载火箭是一次性使用的发射动力装置,故而有备份星必然要有备份火箭。后来这枚火箭成功地发射了地球轨道卫星。
随后的实践表明,“嫦娥一号”的发射和探测工作都获得了圆满成功,实现了“准时发射、准确入轨、精确测控、精密变轨、成功绕月、有效探测、取得成果”的一系列目标,顺利地完成了探月工程一期的科学探测任务,备份星已失去了存在的必要,遂将其加以改进创新,并更名为“嫦娥二号”,作为第二步落月探测的先导星予以使用。正缘于此,它与“嫦娥一号”的体积差别不大。两者的主要区别,就在于“嫦娥二号”质量稍有增加,达到2.48吨,所携带的CCD立体相机、激光高度计、x射线谱仪、r射线谱仪、微波探测器、太阳高能粒子探测器、大阳风离子探测器共7种科学仪器,性能更为精密,探测精度和分辨率更高,总体技术状态更佳。
新火箭出色完成新星奔月任务
这次发射“嫦娥二号”使用的长征三号丙运载火箭,乃是长征三号甲系列火箭中的一种。
该系列共含有长征三号甲、乙、丙三种火箭,构成了我国高轨道运载能力最大、适应性最强的运载火箭家族,大大扩充了我国火箭的使用范围,使其成为世界名牌运载火箭之一。就运载能力来讲,长三乙最大,长三丙居中,长三甲最小。它们的共同特点是,第一、第二级火箭和助推器,均使用常规推进剂,即以偏二甲肼为燃烧剂,以四氧化二氮为氧化剂;第三级火箭都使用高能低温推进剂,即以液氢为燃烧剂,以液氧为氧化剂,且能在太空中进行第二次点火工作。发射“嫦娥一号”用的是没有助推器的长三甲火箭。其第三级火箭二次工作关机实现星箭分离后,卫星仅进入近地点205公里、远地点50930公里、倾角31度的超级地球同步转移轨道运行。卫星在调相轨道和奔月轨道上的飞行是由其本身携带的变轨发动机提供推力的。
在长三甲火箭第一级周围捆绑两个直径为2.25米的常规助推器就构成了长三丙火箭。它是我国的第一枚非全对称的火箭,其顶端是盛装卫星的整流罩。全箭长54.84米,芯级最大直径3.35米,起飞质量343吨,起飞推力450吨,其地球同步转移轨道运载能力为3.8吨。从2008年4月25日首次投入使用到本次进行第五次发射,它都圆满完成了发射任务。此次发射“嫦娥二号”,助推器先分离,接着第一级火箭分离,随后整流罩分离,继而第二级火箭分离,再就是第三级两次点火工作,待其第二次关机实现星箭分离后,卫星进入近地点200公里、远地点约38万公里的奔月轨道飞行。由于省去了调相轨道,卫星5天内就到达月球,7天内即可进入工作轨道运行,不像“嫦娥一号”那样需花近14天的时间。突破运载火箭直接将卫星送到地月转移轨道的发射技术,是此次发射的一大创新。
发射场选在西昌卫星发射中心,因它比酒泉、太原两地纬度都低,能较多地利用地球自转速度,从而节省火箭能量。为适应“嫦娥二号”的发射要求,西昌发射场又进行了百余项技术改装,提高了发射保障性能。观众从电视上看到发射瞬间的镜头,就是长三丙火箭托举着卫星从二号发射塔架点火升空的情景。该塔架高97米,自重4000多吨,可沿地面轨道移动150米。实施发射时,由于不可能从近处摄取场景,故而电视观众看不出它的雄伟。塔架下面是导流槽,临发射前用水装满,以缓冲火箭点火时给地面的巨大推力,避免造成设备损坏,同时对火箭喷出的高达3000摄氏度的火焰起到降温作用。在塔架边上装有三个避雷针,塔架上端装有测量风向和风速的仪器,意在确保发射安全。
“嫦娥二号”任务飞行还首次试验我国新建的×频段深空测控技术。相比“嫦娥一号”任务中使用的S频段卫星测控网,×频段无线电传输信号频率更高,远距离测控通信效果更好。在卫星上搭载着×频段应答机,与地面测控设备配合验证x频段测控体制,将为“嫦娥三号”任务积累经验,为未来更远的深空探测奠定基础。此次测控中首次投入使用的新型远望号测量船将为我国发展高轨与深空航天活动作出贡献。测控系统是航天活动中看不见的“风筝线”,监管和指挥着航天器的一举一动。为了做好这次发射的测控工作,北京航天飞控中心通过多种方式提高一线参试人员的业务水平和技术能力,实战考核合格率达到100%。在卫星的整个飞行和探月过程中,飞行中心、各测量船和各地面站都要按照操作规程分工合作,切实做好各自的操控工作。
“嫦娥二号”有六大创新
总的来说,与“嫦娥一号”任务相比,“嫦娥二号”有六个方面的技术创新。除前述的降低绕月轨道、直接飞向奔月轨道、验证×频段深空测控体制外,还要验证近月椭圆轨道机动与快速测定轨技术,试验全新的着陆相机并验证大幅提高的数据传输能力,对“嫦娥三号”预选着陆区进行高分辨率成像试验。卫星设计寿命为6个月,但若一切按计划进行,节省出的燃料能让它工作更长的时间。它携带着1300多公斤的燃料供变轨发动机和多台姿控发动机使用。至于卫星的最后归宿,有专家说,是落月还是飞到更远的星空拟或飞回地球轨道,这需要看它在轨道运行到一定阶段后才能决定。
归纳概括起来,可用“快、近、精、多”四个字来描述“嫦娥二号”的突出特点。“快”就是飞抵月球的时间大大缩短。由于长三丙火箭直接将其送入奔月轨道,卫星约用112小时即抵达月球。火箭在点火起飞533秒实现星箭分离后,卫星以每秒11公里的速度飞向月球。此后,它需要动力或调整姿态时,就启动本身携带的变轨发动机或姿控发动机工作。当它到达近月点时,就启动变轨发动机首次制动减速工作,使自身进入周期为12小时的椭圆轨道运行。在卫星重回近月点时,启动变轨发动机再次工作,使自身进入形状更小、周期更短的椭圆形轨道运行。在第三次回到近月点时,重新启动变轨发动机工作,使自身进入飞经月球南北极、距月面100公里高的圆形轨道即工作轨道运行,周期为117分钟。从发射至此不过7天,仅为“嫦娥一号”同一过程的一半时间。这种奔月速度比欧空局、日本和印度的探月器都要快。“快”的另一表现是,与“嫦娥一号”到达近月轨道才打开有效载荷不同,它在奔月途中便让科学仪器开始工作,从而能更好地探测地月空间环境。
“近”就是卫星的环月轨道高度降低到100公里,最近点只有15公里,能在更近的位置上观测月球。卫星轨道越低,飞行速度越快,所需要的制动量也就越大。加上月球不均匀重力场对卫星轨道摄动影响的相应增大,这都对卫星制动控制精度提出了更高的要求。同时,卫星在工作轨道上进行一段探测之后,还要适时变轨,进入远月点100公里、近月点15公里的椭圆轨道运行,其适应环境的能力大大提高。近月点位于“嫦娥三号”预选着陆区上空,以便获得最为清晰的图像资料。在椭圆轨道上完成测绘任务之后,卫星再回到距月面100公里的圆形轨道上继续对月面及其土壤进行探测研究。
“精”就是探测精度明显提高。卫星在100公里高的轨道上工作时,其相机分辨率是10米,在15公里高的轨道上工作时,其相机分辨率为1.5米,能够拍取更清晰的图像,为科学家研究月球提供弥足珍贵的数据资料。“嫦娥二号”还将在距月面100公里和15公里处对月面和“嫦娥三号”预选着陆区进行优于10米和1.5米分辨率的成像摄制。
“多”就是卫星要进行深空探测、降落相机等多种项目的试验。“嫦娥二号”在首次验证x频段深空测控体制的同时,还要试验全新的着陆相机,以检验其对月成像能力。该相机的特点是,具有伴随卫星降落时的成像功能。在卫星降落月面过程中,它拍摄的图片将为“嫦娥三号”软着陆月面提供参照和依据。卫星的数据传输速率也由“嫦娥一号”的3兆码翻倍为6兆码,还将进行12兆码的传输试验。虽然在轨运行时间比“嫦娥一号”要短很多,但卫星获得的数据要比前者更多,数据精度也更高。
“嫦娥二号”卫星在工作轨道上一次即可探测5个点的高程数据,而“嫦娥一号”在工作轨道上一次才能探测1个点的高程数据。由此不难看出,它肯定能够出色地完成深化探月的任务,圆满验证月球软着陆的部分关键技术,为下一步实施航天器落月探测奠定基础。仅就提供预选着陆区的详细数据资料来说,即可防止“嫦娥三号”降落在凸凹不平的地区,保障其安全落月并按计划适时开展实地考察和科学研究工作。
人类共同追求:探月登月驻月
按照预定计划,我国将于2012年或2013年开始陆续发射月球软着陆探测器“嫦娥三号”和月面巡视探测器“嫦娥四号”,完成落月探测任务。探测器在没有大气的月球上实现软着陆,须用制动火箭提供减速的动力并辅以着陆缓冲结构。在探测器支脚接触月面时制动火箭自动关机。此时探测器的下降速度仅为每秒1至2米,其产生的动能被起缓冲作用的装置所吸收,从而能安全着陆于月面,并经调试即可开展探测工作或释放月球车进行巡视。预定月球车在月面服役三个月,能在距离着陆点5公里的范围内进行巡视探测。
约于2017年我国将发射月面巡视勘探与采样返回探月器,实施成功采集样本并返回地球的回收目标。届时,软着陆月面的航天器将用月表钻岩机、采样机、机械臂等采集关键性样品放置于返回舱内,再让后者飞离月球返回地球。依照目前的设计指标,航天器将能采集和运回2公斤的月球物质。同时,着陆器在月面进行巡视考察,以深化人类对地一月系统的起源与演化的认识。只有到了那个时候,我国的探月工程才能画上圆满句号。
在完成绕、落、回的探月任务之后,随着技术的进步与成熟以及对月球认识的深化,我国就具备了发射载人航天器运送航天员登陆月球的基本条件。我国何时实现载人登月成为国内外公众关注的焦点。可以肯定的是,我国在实现探月目标之后,必然要向登月阶段迈进,最终还要向驻月进军。同样值得国人自豪的是,我国在探月阶段还会向太阳系其它行星发射探测器。本版照片均由新华社发