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嫦娥三号任务看点展望

来源:中国科技网-科技日报
作者:付毅飞
2013年12月01日 01:35
[导读] 世人瞩目的嫦娥三号月球探测器计划于12月2日凌晨发射,将实施我国首次月球软着陆和月面巡视勘察任务,这也是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。

原标题 远赴38万公里外的奔月、登月、巡月之旅—— 嫦娥三号任务看点展望

本报记者 付毅飞

聚焦嫦娥“奔月”

世人瞩目的嫦娥三号月球探测器计划于12月2日凌晨发射,将实施我国首次月球软着陆和月面巡视勘察任务,这也是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。本次任务有哪些主要看点?在此,科技日报与您共同展望。

发射看点:多窗口、窄宽度、多轨道

发射窗口是指适合航天器发射的时间范围,此范围的大小亦称发射窗口的宽度。据运载火箭系统总指挥岑拯介绍,本次任务的窗口期为三天,共设计了6个发射窗口。

岑拯说,发射窗口的选择需符合多项条件,首先是我国测控地理位置,以及航天器入轨之后和太阳、地球的相互关系。探测器与火箭分离后,要能接收测控通讯信号,又要照到阳光,能吸收太阳能;同时本次任务是要奔赴月球,因此要兼顾月球运动规律;此外为了预防受到恶劣天气条件的影响,需要选择连续三天以上的窗口期。12月的这个窗口期,正是在多种条件下筛选而出的。

在三天的窗口期中,每天有2个发射窗口,共计6个。与普通航天器相比,嫦娥三号的发射窗口要求更为苛刻。运载火箭系统总设计师姜杰说,普通卫星只需发射到轨道面上即可,窗口较宽,有时可达一小时以上;但嫦娥三号要进入地月转移轨道,入轨精度高出数倍,窗口很窄。据了解,本次任务首个窗口只有4分钟,如果错过,只能等到第二个窗口,而这次仅有1分钟时间。

普通航天器发射时,如果错过一个窗口,只需等到下个窗口按原轨道发射即可。但嫦娥三号任务涉及地、月、探测器三体运动,因此6个窗口的轨道各不相同,为此科技人员付出了大量劳动。姜杰说,本次任务共完成了6条轨道的设计,6套制导、控制系统的设计,以及6个状态的硬件、软件。这些工作都进行了充分的验证。

岑拯表示,按照工程设计,嫦娥三号无论在这三天中哪一个窗口发射,都不会对后续任务节点产生影响。但记者了解到,航天工程具有高风险特点,存在诸多不确定因素。前期工作只能尽可能降低风险,却无法实现百分百保障。万一在本次窗口期内不能实施发射,只能到明年再寻找机会。

测控看点:四大“不可逆”环节必须一次完成

发射升空后,嫦娥三号将远赴38万公里外的月球。然而它不是“一个人”在旅行,从奔月、降落到开展月面科考工作,地面测控系统都将时刻关注,并随时发出指令。

嫦娥三号任务测控通信指挥部指挥长陈宏敏表示,本次任务包括月球软着陆、两器协同控制、巡视器遥操作等新环节,前所未有。还具备四个“不可逆”环节,包括近月制动控制、15公里降轨控制、动力下降控制和两器分离遥操作控制,其过程复杂、控制约束条件多,但必须一次完成,一旦失误,难以挽回。这都为测控系统带来了严峻挑战。

据了解,本次任务中启用了由直径达66米的我国首个深空测控天线,以及喀什35米测控站、上海65米射电天文望远镜组成的深空测控网,北京航天飞行控制中心也新建了深空干涉测量信号信息处理中心,将为任务提供高精度测轨控制。

为满足地月间的测控距离,我国探月工程均采用了VLBI(甚长基线干涉测量)系统,但传统的VLBI测量方法和数据处理十分复杂。嫦娥一号、二号任务期间,各台站的数据是先通过网络传到上海天文台处理,再传到北京飞控中心,大约需要10分钟左右。本次任务中的数据处理方法得到了很大改进,处理、传输过程仅需1分钟。同时在测量方法上加入了多项新技术,可使测量精度大幅提高。

落月看点:探测器自主完成软着陆

月球软着陆无疑是本次任务中最大看点之一。探测器系统总设计师孙泽洲介绍说,探测器进入环月轨道绕飞数天后,会实施数次变轨,最后在近月点15公里处开始动力下降,经过十几分钟后再月面着陆。与嫦娥一号、二号相比,从下降到着陆过程是嫦娥三号面临的全新任务,完全靠探测器自主完成。其中包含了大量自主创新的新技术。

要在没有大气的月面实现短时间降落着陆,传统的降落伞全无用武之地,只能靠发动机反推并调节推力来实现。孙泽洲介绍,嫦娥三号主发动机是我国航天器所用推力最大的发动机。

在降落过程中,高度控制尤为关键,这需要我国自主研制的敏感器发挥作用。随着落月过程的开始,敏感器就会精确测量嫦娥三号与月面的距离。当距月面数米高度时,它将发出关机指令关闭发动机。这个关机指令的发出,是实现落月的关键动作。

随着发动机反推力的撤离,着陆器将在月球引力作用下以自由落体的方式着陆。尽管月球引力仅为地球的六分之一,但为了尽可能保护设备,科技人员对着陆缓冲机构进行了精心设计。探测器系统着陆器着陆缓冲分系统主任设计师杨建中说,嫦娥三号的缓冲机构跟阿波罗号有些相似,通常被称为“着陆腿”。

要承受着陆器落月的冲击,足够的强度是着陆腿需具备的首要条件。杨建中说,要满足强度要求很简单,但嫦娥三号要飞到月球,对重量控制非常严格,所有部件都要尽可能的轻。既轻且强,这就难了。为此,科技人员对着陆腿进行了精雕细琢,去除了任何多余的成分,让它充满“肌肉”,没有一丝多余“脂肪”。

同时着陆腿还要满足多项条件,如着陆时舒适、柔和,四条腿协调、稳定,并具备收拢、展开、支撑等功能。此外,在着陆腿的“脚底”还设置了传感器,触月时将发出信号,表示稳定落月。

科考看点:换个角度看太空

嫦娥三号由着陆器和巡视器组成,在月球着陆后,它们会分开,互拍照片留念,然后就各自开展科学考察工作了。

其中,着陆器上搭载了天文月基望远镜,科学家希望它能发挥“月球天文台”的作用。探月工程二期副总设计师孙辉先说,在月球上观天文,是全世界很多天文学家最想做的事情之一。在地球观测需透过大气,但大气会造成光的散射,对观测带来很多影响。月球上没有大气,则能避免这一点。据介绍,月基望远镜由望远镜主体、反射镜转台组成,可对各种天文变源的亮度变化行为进行长时间连续监测,然后拍照把数据传回地球。

同时,着陆器还搭载了极紫外相机,将对地球周围等粒子体群的结构进行测量。据了解,太阳风暴会将许多粒子以每秒一千多公里的速度吹到地球,这些粒子被地球磁场捕获以后,便在地球周围形成了等离子体层。太阳风暴对人类产生了很多负面影响,同时其蕴含了巨大电力,甚至超过全球发电量,但人类目前还无法使用。为此,科学家一直试图对其进行研究探索。孙辉先说,过去人类很难对地球等离子体层进行观测,只缘“身在此山中”。美国曾经利用卫星在地球轨道上观测,也只能看到局部。而嫦娥三号在距离地球38万公里的月面,能够看到地球等离子层的全貌,并有望通过对其全方位、长期的观测研究,获取地球等离子体层三维图像。如果实现,将有助于了解太阳和地球的相互关系。

除着陆器外,巡视器也肩负着科学使命。嫦娥三号巡视器的“腹部”装有一台测月雷达,在月面行走的同时,可以测月球地下30米深土壤层的结构和100米深的次表层结构。孙辉先说,测月雷达以前在地球上经常使用,希望在月球上能发挥更好的效果。

月球生活看点:嫦娥三号如何应对月夜考验?

嫦娥三号将在月球上“生活”很长时间,如何“过夜”一直是令科学家担忧的问题。据了解,月球上“一天”大约相当于地球上的28天,昼、夜各占一半。“白天”在太阳照射下,温度可超过150摄氏度;而“夜间”则能达到零下150摄氏度以下。如果不采取措施,所有的仪器都会冻坏。此前,俄罗斯月球探测器经历过多个月夜,美国只过了一个昼夜,嫦娥三号如何应对月夜考验?

要满足嫦娥三号在月夜中“取暖”的需求,采用放射性同位素热源(RHU)是最佳途径。为此科技人员对相关的空间用核能源的辐射防护技术、地面试验验证技术、核源换装技术等技术瓶颈进行了攻关。本次任务将是我国航天工程中首次应用核能,如果成功,将为后续月球探测、深空探测等航天工程中利用核能奠定坚实基础。

除解决热源问题,科技人员对嫦娥三号热控系统进行了严格的设计,采用了大量创新技术和产品。

探测器系统着陆器热控分系统主任设计师刘自军介绍,嫦娥三号外表采用了一种多层隔热阻件材料,可实现双向隔热。温度高时热量无法从外面传入探测器内部,月夜时探测器内部的热量也不会流失。

此外,该热控系统中的两向回路产品、可辨热导热管等均为国际首次使用。

(科技日报北京11月30日电)  

[责任编辑:kanyaqi]
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