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嫦娥再出发:中国探月工程由一期迈入二期

http://www.sina.com.cn  2010年10月01日16:59  瞭望
嫦娥再出发:中国探月工程由一期迈入二期
《瞭望》第40-41期封面

  中国探月工程新闻发言人称,测试结果正常,完全满足发射技术条件,将于10月1日18时59分57秒发射。

  3年前,承载着中华民族千年梦想的“嫦娥一号”顺利升空,3年后的今天,“嫦娥”再次奔月,以为中国人在不远的将来踏上月球铺路。中国探月工程借此由一期迈入二期,翻开跨时代的一页。

  《瞭望》文章: “嫦娥”再出发

  9月30日,截至《瞭望》新闻周刊发稿时,“嫦娥二号”卫星和火箭已完成发射场区的测试和检查。中国探月工程新闻发言人称,测试结果正常,完全满足发射技术条件,将于10月1日18时59分57秒发射。

  3年前,承载着中华民族千年梦想的“嫦娥一号”顺利升空,3年后的今天,“嫦娥”再次奔月,以为中国人在不远的将来踏上月球铺路。中国探月工程借此由一期迈入二期,翻开跨时代的一页。

  科技实力代表着一个国家综合实力的强弱。中国是发展中的科技大国,仅科技人员就达数千万之众,却不是科技强国。中国唯有千方百计发展科学技术,才能追赶上世界科技发展的脚步,真正用实力维护国家的合法权益。

  古往今来,茫茫太空留给人类太多的谜团,也成为人类不懈探索的目标。作为太阳系中距地球最近的天体,月球一直是人类追寻探究太空的首选之地。

  上世纪50年代末期,美国和前苏联展开了以月球探测为中心的空间竞赛,掀起了第一次月球探测高潮。1958年~1976年8月间,美国和前苏联成功发射了45个月球探测器。1969年7月,美国“阿波罗”号飞船实现了人类首次登月,月球探测取得划时代的成就。

  上世纪60年代的探月工程证明,探月能实现的真正价值远远高于工程本身。月球探测可以成为科学和技术的孵化器,并推动国民经济相关技术的创新与革命。美国的“阿波罗计划”虽然耗资巨大,但这项工程,导致了20世纪60~70年代美国液体燃料火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料、计算机等一大批高科技工业群的产生。据不完全统计,此项工程派生出了大约3000种应用技术的专利成果,这些专利成果扩展到当时美国国民经济各个领域,为美国带来了巨大的经济效益。

  通过探月工程项目,人类还可以探索如何在地球之外建立永久研究站,在地球以外空间发展产品和工业,建立能够自给自足的“外星家园”。空间应用与空间科学需求的日益加大,如许多空间微重力科学研究条件、特殊生物制品的大量生产等都需要在一个像月球那样庞大的“太空实验室”进行与完成。

  月球潜在的矿产资源和能源的开发利用前景,也为人类社会可持续发展提供了巨大的资源储备,被称为“人类未来能源的仓库”。这一因素也成为一些国家重返月球最主要的动力——上世纪90年代末,美、俄、德、英、欧空局、日本、印度等纷纷提出各自的空间计划,掀起了第二次月球探测高潮,一时间,重返月球、建立月球基地成为许多国家或组织的明确目标。

  2004年,中国发布了自己的空间探测计划,探月工程成为继发射人造地球卫星、突破载人航天技术之后,中国空间科技发展史上第三个里程碑,是中国实现深空探测“零的突破”的标志性工程。

  相比美、俄等航天大国,中国的探月之路前程漫漫。可喜的是,在为“嫦娥一号”首次“奔月”做准备的几年间,中国一批年轻的科技人才迅速成长,航天科技队伍不断壮大。中国航天事业以半个多世纪的深厚积累,为探月工程的实施奠定了基础。

  从“两弹一星”到载人航天,从“嫦娥一号”到“嫦娥二号”,大量事实再一次证明:只有把发展的基点放在自主创新上,才能真正掌握核心技术、抢占科技制高点、在世界高技术领域占有一席之地,才能牢牢把握发展的战略主动权、切实增强国家核心竞争力。□(文/孙英兰)

  《瞭望》文章:“嫦娥二号”领跑探月二期

  “嫦娥二号”任务就像是一期工程向二期工程的一个跳板,既继承了“嫦娥一号”卫星的许多成熟技术,又根据任务目标的不同,增加了很多新技术,对探月工程起到承上启下的作用

  文/《瞭望》新闻周刊记者袁元

  实习生丁慧娜

  9月27日下午,在位于北京航天桥的中国航天科技集团公司会议室里,来自中央、地方的数十家媒体正在聆听航天科技集团公司的有关负责人详解“嫦娥二号”卫星的诸多看点。

  材料袋中,除了一本刚刚赶印出来的厚达230页的新闻素材外,一个微型模型格外引人注目——“长征三号”丙火箭托举着“嫦娥二号”卫星,等待着飞向太空。

  这是在“嫦娥二号”奔月前,航天科技集团公司在北京举行的最后一次大型记者见面会,此后的报道协调重心将移往川西南峡谷深处的月亮城——西昌。

  随着“嫦娥二号”奔月进入倒计时,本刊记者了解到,包括“嫦娥二号”卫星、“长征三号”丙运载火箭等在内的五大系统准备工作已基本就绪,正在做发射前的测试准备。此时,不仅是西昌卫星发射中心正在紧锣密鼓地做着最后的准备,北京各相关部门,包括新闻媒体也开始进入“临战”状态。

  围绕“嫦娥二号”的采访,《瞭望》新闻周刊已开展近两个月。7月末,本刊与航天科技集团正式签署报道保密协定,随后就开始逐渐接近并深入采访“嫦娥二号”研发核心领域。

  7月末,本刊记者走访中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院,托举“嫦娥二号”升空的“长征三号”丙火箭正是在这里孕育研制而成的;

  9月初,本刊记者探访曾将58颗卫星送上天的西昌卫星发射中心,“嫦娥二号”卫星将在这里实施飞行任务;

  进入9月中旬,采访安排日益密集起来。在中国航天科技集团公司的办公室内,中国探月工程原总设计师、现高级顾问、中国航天科技集团公司高级技术顾问孙家栋院士,中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团公司科技委副主任于登云,中国航天科技集团公司宇航部部长赵小津先后接受了本刊记者采访。

  9月26日早晨,本刊记者再次走访“嫦娥二号”卫星抓总研制单位——中国航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院,并在位于北京西北郊航天城的北京航天飞行控制中心里,见到了叶培建院士。他曾是“嫦娥一号”卫星总指挥兼总设计师,现为“嫦娥二号”卫星顾问。刚刚开完班前会的叶培建院士接受了《瞭望》新闻周刊的专访。

  “嫦娥二号”,由此一步步揭开了神秘的面纱。

  从备份星到先导星

  “‘嫦娥二号’卫星是以‘嫦娥一号’卫星的备份星为基础研制的,它是我国探月工程二期的探路者或叫先导星,对探月工程具有着承前启后、继往开来的作用。”叶培建告诉本刊记者,中国的探月工程又称“嫦娥工程”,规划为“绕”、“落”、“回”三期,计划在2020年前依次完成绕月探测、落月探测和无人采样返回。

  采访中,于登云介绍说,一期“绕”,其主要目标是开展月球表面的全球性和综合性环绕探测,已由“嫦娥一号”卫星圆满实现;二期“落”,主要进行探测器月面软着陆,实现月面就位探测和月面自动巡视勘察,主要由“嫦娥二号”卫星和“嫦娥三号”探测器实现;三期“回”,主要目标是实现月球样品的无人采样返回地球,在地面开展科学研究。这三期工程是相互关联、循序渐进的,前一期工程是后一期工程顺利实施的前提和基础。

  “现在的‘嫦娥二号’是‘嫦娥一号’的备份星。‘嫦娥一号’圆满完成既定任务后,让‘嫦娥二号’再去绕月,如何能够让它的意义再大一些?”叶培建告诉本刊记者,由“嫦娥一号”的备份星到探月工程二期的先导星,“嫦娥二号”的任务目标发生了变化,承担起为探月工程二期尤其是“嫦娥三号”探测器进行前期工程技术验证和探测的任务。

  “应该说,‘嫦娥二号’具备了两层意义,即一是继续扩大‘嫦娥一号’的科学成果,二是作为嫦娥工程二期的先导星,它将在‘嫦娥一号’卫星的基础上,开展‘嫦娥三号’探测器有关技术的在轨验证,同时对其备选的着陆区进行高分辨率成像,为‘嫦娥三号’落月做准备,验证月球软着陆的部分关键技术。”

  于登云告诉本刊记者,在完成主任务后,“嫦娥二号”的命运将由卫星当时的状态及所携带的燃料决定,或受控撞月;或走得更远,让卫星飞出地月环境、飞向更远的太空,以此验证我国更远的宇宙空间的深空探测能力;或走得更近,即让它沿着月地转移轨道飞回地球。

  “嫦娥二号”的创新

  由于“嫦娥二号”原本是“嫦娥一号”的备份卫星,因此两颗卫星在质量和外形上并没有太大的区别,但是相比于“嫦娥一号”任务,“嫦娥二号”任务技术更新、难度更大、系统更复杂,相应的风险也更大。

  多位受访专家表示,“嫦娥二号”任务就像是一期工程向二期工程的一个跳板,增加了很多新技术,对探月工程起到承上启下的关键作用,并对整个探月工程甚至航天事业的发展都具有十分重要的意义。

  叶培建将“嫦娥二号”的关键技术创新和突破,归纳为六点:

  一、突破运载火箭直接将卫星运送至地月转移轨道的发射技术。和“嫦娥一号”卫星先被运送到环绕地球的椭圆轨道,再经过自身多次调整进入地月转移轨道不同,“嫦娥二号”卫星将由运载火箭直接送入近地点200公里、远地点38万公里的地月转移轨道。这样奔月的效率更高,在7天以内就可完成近40万公里的奔月路。这对火箭提出了更高要求,需要火箭推力更大、入轨更精、控制更准。

  二、X频段深空探测技术,初步验证深空探测体制。这是我国正在计划建设的测控应答体制,和目前我国主要使用的S频段测控体制相比,新的测控体制更适合深空探测远距离信号传输的需求,有着传输速度高、信号衰减小、负载数据多等优点。

  三、验证100公里月球轨道捕获技术。相比于“嫦娥一号”卫星在距月面200公里处被月球捕获,“嫦娥二号”将在距月面100公里处进行制动捕获,卫星的飞行速度更快、轨道更低、制动量更大,同时月表物质分布造成的不均匀重力场对卫星轨道的摄动影响也将相应增大。这样就大大提高了对卫星制动控制精度的要求。

  四、验证近月点15公里、远月点100公里轨道机动与快速测定轨技术。“嫦娥二号”卫星要验证100公里圆轨道向近月点15公里、远月点100公里椭圆轨道的机动技术,完成在该椭圆轨道上的探测任务后,卫星还要回到100公里圆轨道。

  五、试验全新的着陆相机,数据传输能力大幅提高。“嫦娥二号”增加配置了降落相机,以检验对月成像能力,为“嫦娥三号”探测器的月面软着陆做准备。与此同时,卫星数据传输速率也由“嫦娥一号”卫星时的每秒3兆,提高到每秒6兆,并进行每秒12兆的传输速率试验。

  六、对后续工程预选着陆区进行高分辨率成像试验。“嫦娥一号”卫星搭载的CCD相机分辨率为120米,而“嫦娥二号”卫星在100公里圆轨道和近月点15公里、远月点100公里椭圆轨道上,将分别对后续月球着陆器的预选区域进行优于10米和1.5米分辨率的成像试验,同时还将探测月球物质成分、月壤特性以及地月与近月空间环境。

  任务的变化,使“嫦娥二号”在许多关键技术方面都要进行原始创新,改进了有效载荷性能,提高了对月科学探测的精度。

  本刊记者获悉,“嫦娥二号”卫星上共有214台硬件设备,其中,继承“嫦娥一号”卫星的产品大约有85%,作过适应性修改的产品大约占10%,新研制的产品约占5%,这些产品都处于不同的状态,增大了风险。

  “嫦娥二号”上还有很多新技术是原来没有使用或遇到过的,比如星上使用的490N发动机,以往我国卫星使用这种发动机的时候,在卫星上工作的时间很短,一般卫星轨道确定后就切断了,这次“嫦娥二号”卫星上的490N发动机则要在轨长期工作。

  此外,由于“嫦娥二号”本是“嫦娥一号”的备份星,因此星上几乎所有产品都没有备份,这也加大了技术人员的研制难度,必须确保万无一失。

  “‘牵一发而动全身’,‘改卫星’比‘造卫星’更需要严密的系统工程思维和总体思想”,孙家栋分析说,“嫦娥二号”选择以“嫦娥一号”的备份星为基础平台,并在备份星的基础上进行载荷和技术的适应性改造,“卫星研制队伍在这方面下了不少功夫”。

  诸多风险考验“嫦娥二号”

  考虑到“嫦娥二号”将完成的一系列试验和探测任务的复杂性,于登云坦言,这样一个全新的任务仍面临着诸多着风险,并且风险的难度系数相比于“嫦娥一号”卫星要大得多。

  “把‘嫦娥二号’卫星比作一个要在严酷环境中进行高难度表演的杂技演员也是毫不为过的”,“嫦娥二号”总设计师黄江川这样形容。

  风险一:能否顺利进入地月转移轨道入口。根据地球、月亮、太阳的运动规律,卫星进入地月转移轨道的窗口时间非常短,若星箭分离时卫星没有准确进入地月转移轨道入口,那么就需对卫星轨道进行调整,会使卫星上的燃料提前消耗,如果偏差过大,就将影响后续任务的执行。

  风险二:能否精准“刹车”,即卫星通过近月制动能否被月球重力场捕获。

  “嫦娥二号”的第一次近月制动至关重要,如果刹车成功,卫星会处在近月点200公里、远月点8000公里左右的椭圆轨道上,成为月球卫星;如果刹车不够,卫星仍会飞出月球的引力范围,而不被月球捕获,从而不能环绕上月球;如果“刹车”力量过大,卫星就会撞上月球,后果同样不堪设想。

  风险三:能否从100公里的圆轨道过渡到近月点15公里、远月点100公里的椭圆轨道。这一动作既将验证卫星的测定轨技术,也要对后续工程的备选着陆区进行高分辨率成像。因此,要实施近月点15公里、远月点100公里的轨道变轨,同时让这个轨道的近月点正好在备选区域的话,卫星就必须在月球无法朝着地球的那一面变轨。而此时,地面的遥测信号无法进行传递,卫星是不可人为干预和控制的,只能依靠卫星上已经设置好的自主控制程序进行。

  在卫星自主控制程序运行时,如果发动机点火不成功,那只能等待下一月变轨的机会。而如果点火过了的话,卫星将面临致命风险。同时,如果点火时间过长,造成卫星轨道低于15公里,就会加大卫星撞上月球上的高山的可能性。

  风险四:“嫦娥二号”卫星验证的工程任务内容很多,很繁重,往往是一环扣一环,技术人员能否对卫星进行精准操作,也构成了卫星的另一重风险。

  比如,近月点15公里、远月点100公里的椭圆轨道变轨,实际上有多重目的在里面,除了验证轨道机动技术以外,还要对月球指定区域进行高分辨率成像,同时还要进行X频段测控体制方面的验证。这些任务的密度非常大。因此,为了规避操作上的风险,确保“嫦娥二号”卫星的安全,卫星型号队伍提出了“操作零缺陷”的要求。

  风险五:来自月球具有的特殊空间环境。月球表面的物质分布非常不均匀,造成月球不同区域的重力场并不一样。因此,卫星在轨运行期间,其轨道要经常进行维护。

  此外,太阳每11年左右都有一个活跃期,会形成太阳风暴。这对卫星会造成多种效应影响,如果严重的话可能造成电子元器件或者设备损坏。在“嫦娥二号”在轨运行的预定时间内,正好临近太阳风暴活跃期,卫星也将面临这方面的挑战。

  赵小津表示,“嫦娥二号”任务具有高风险性,对于每一个风险可能出现的问题,航天科技集团公司都要求发射试验队做好周详的故障应对策略,事先制定完备的预案,同时在地面进行验证或是仿真实验。

  “除了要把工作尽可能做细外,我们还要把预案做得更完整,目前,我们已经制订了上百种风险控制方案,但这项工作仍在进行之中,一直要到火箭点火发射为止。”于登云告诉本刊记者,进入到月球运行轨道后,“嫦娥二号”还要在轨工作半年。卫星在完成在轨测试的“体检”后,就可以开展试验。在试验过程中,风险也无处不在。“我们目前排了一个计划表和一系列预案,但在具体的实施过程中,还要根据卫星当时的状态作出实时调整。”

  探月工程要成为

  “科学家的眼睛和手”

  从1970年我国发射第一颗人造卫星,到21世纪的载人航天工程和月球探测工程,中国航天走出了一条独立自主的发展之路。在孙家栋看来,航天技术的不断发展,不仅证明了人类“探知未来”的能力,更成为了人类实现梦想的“载体”。中国航天将来要走向太阳系的任何一个星球,为科学家提供探测平台,成为“科学家的眼睛和手”。

  而月球则是人类探索未知的“第一个选择”。孙家栋指出,我国的“嫦娥一号”探测拿到的月球数据,比以往其他国家提供的数据都要新、全,为科学家的科学研究提供了宝贵的科学数据,“中国实施探月工程,具有着很强的现实意义和价值”。

  “进行深空探测的战略意义,首先就在于‘探索’本身。”叶培建认为,走向深空进行探索的任务是长期的,这是人类历史前进的主题,而一个国家能否进入深空的能力,也关乎着其综合国力的提升与民族的自信心、自豪感的凝结。

  在包括卫星系统、运载火箭系统、测控系统、发射场系统和地面应用系统的探月工程的五大系统中,叶培建分析,目前我国的火箭系统、发射场系统的发展水平已达到世界领先地位,而卫星系统、测控系统与世界一流技术相比仍有差距,“这是由于飞行器和测控系统变化最大,需要不断加以技术上的创新和完善。”

  孙家栋认为,卫星发射是一个严密的综合工程,卫星上天后,要独立生存并完成好赋予的任务,需要多方面系统的协调和配合。目前,中国的卫星技术水平已经处于前沿,但是与世界上一流技术相比,在世界航天追求“成功率和稳定性”的现在,中国卫星的研制水平仍有较大上升空间。□

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