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《科学24小时》

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“嫦娥”飞天再探月宫为哪般

2013-06-13 11:12:56

“嫦娥”飞天再探月宫为哪般

陈福民

“嫦娥二号”卫星自2010 10 月发射以来,经过长途奔月、近月制动、绕月飞行、降轨控制等多个关键环节,在距地38 万千米外的月球轨道上完成了它的历史使命。由于卫星燃料充足,科学家决定在2011 6 16日左右,让“嫦娥二号”卫星离开月球,飞向150 万千米远的日地拉格朗日L2 点继续进行探测。然后,它又从700万千米处以每秒10.73 千米的相对速度,与图塔蒂斯小行星由远及近擦身而过,首次实现我国对小行星的飞越探测,在世界上首次获得10 米分辨率的小行星图像。从突破1000 万千米,再到突破2000 万千米……超期服役近两年的“嫦娥二号”卫星,在浩瀚太空中不断刷新“中国高度”。

我国嫦娥探月工程分“绕、落、回”三期,“嫦娥二号”卫星为探月二期工程“降落月面探测”的先导星,主要任务是为“嫦娥三号”探测器实现月面软着陆开展部分关键技术试验。今年下半年将迎来肩负“落月”任务的“嫦娥三号”探测器,此举将翻开嫦娥探月工程的新篇章,为实现我国探测器的首次地外天体着陆打下坚实的基础。

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“嫦娥三号”月球探测器的轨道设计

“嫦娥三号”探测器肩负新任务

“嫦娥三号”是嫦娥探月工程计划中嫦娥系列的第三颗“月球探测器”。“嫦娥三号”担负着探月工程二期的关键任务,任务的技术目标包括掌握地月转移轨道发射技术,突破月球软着陆技术和月面巡视技术,掌握探测器间相互通信技术以及试验月夜生存技术,其主要科学任务是月面地形地貌和月壤综合探测,月球动力学研究以及空间天气探测与研究。

“嫦娥三号”探测器主要由着陆探测器和巡视探测器(月球车)两部分组成。探测器的总质量约3.7 吨,着陆器质量约1.2 吨,月球车质量约120 千克,可载重20千克,将使用我国运载能力最大的长征三号乙火箭发射,直接发射至奔月轨道,并在距月面100 千米高度制动进行月球轨道捕获,随后降低到100 千米×15 千米轨道,并最后在15 千米高度开始在“嫦娥二号”执行任务时选定的地势较平坦的虹湾地区月面软着陆。

“嫦娥三号”探测器将使用X 波段测控,新建成的35米和64米大直径天线和原有的甚长底线干涉量度法结合进行轨控定位。“嫦娥三号”探测器是我国第一个能够软着陆在地外天体上的飞行器。它主要的任务是实施落月巡视勘查、勘测,包括对月球土壤和环境的勘查、勘测。在月球上,它的一个作业周期需要15 天左右,将为中国的深空探测奠定基础。

“嫦娥三号”探测器研制的一个核心难点是,探测器软着陆的变推力发动机和着陆过程中使用的制导、导航和控制技术。在落月过程中,它的发动机推力变化很大,传统发动机无法达到所需的深度节流能力,我国为探测二期专门研制了15007500 牛的变推力发动机,除了用于软着陆,还将用于奔月过程中的轨道修正和进入月球轨道的轨道制动。“嫦娥三号”探测器着陆过程时间短、推进剂消耗大,还要求自动避障以提高着陆的安全性,与我国已有的航天器的制导、导航和控制技术区别很大。“嫦娥三号”探测器除了使用“嫦娥二号”卫星已经验证的降落相机,还将加载测距测速雷达和激光测距仪。从自由下落的设计看,很可能也使用了前苏联“月神”系列软着陆探测器的伽马射线测高计。

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“嫦娥三号”探测器的着陆器上携带了近紫外月基天文望远镜、极紫外相机,在巡视器上携带了测月雷达,这些设备都是世界月球探测史上的创举。月基天文望远镜将对重要天体的光变进行长期连续监测,并对低轨道带进行巡天观测。极紫外相机,将对地球周围的等离子体层进行全方位的长期观测。“嫦娥三号”探测器还将在月面实现无人月面着陆器和自动巡视器的联合探测,自动巡视器底部将安装一部超宽带毫微秒脉冲雷达,用于直接探测30 米内月壤结构和数百米深度的浅层月壳结构。

对于我国航天来说,“嫦娥三号”探测器将首次获得月球降落和巡视区的地形地貌及地质构造,并将首次实现月夜生存。“嫦娥三号”的着陆器具有1 年的设计寿命,而巡视器具有在月球上工作3 个月的设计寿命,要在月球上度过28 个地球日左右的漫漫月昼和月夜。“嫦娥三号”探测器不仅在概念上创造了数个国际和国内的第一,而且作为中国航天深空探测领域技术发展和探索的里程碑,将具有十分重要的意义。

 

“嫦娥三号”探测器取得新突破

据中科院院士、中国绕月工程首席科学家欧阳自远透露,“嫦娥三号”探测器的创新性将主要体现为中国首次实现在地外天体表面无人自动巡视、首次实现探测器月夜生存、首次建立覆盖火星探测范围的测控通信网和首次自主开展月面就位科学探测等4 个方面。

“嫦娥三号”探测器在月球的特殊环境条件下,将实现在月球表面一定区域范围内的巡视,涉及移动、环境感知、路径规划、自主避障以及遥分析、遥操作和虚拟现场等技术。

“嫦娥三号”月球探测器是我国首次研制的一种全新的带“腿”及轮子的航天器,面临的最大技术难度是如何稳稳当当地降落在月球上。因此,“嫦娥三号”探测器将实现突破月球软着陆、月面巡视勘察、月面生存等关键技术,实现国人首次对地外天体的直接巡视勘察任务,使中国航天技术实现巨大跨越。

首先是实现在月面软着陆的突破。软着陆是踏上另一个星球进行实地科学探测的第一步,是所有探测活动中最为重要的环节。在月球表面降落,在某种程度上说,远比在火星上降落要难得多。由于月球上大气稀薄,几乎是真空状态,所以降落伞是毫无用武之地的,气垫也无法施展才能。唯一的一个选择就是整个降落的过程完全用着陆器底部的发动机点火,把它往上推,减缓着陆器的下降速度。而这种软着陆方式对于发动机控制技术和月球着陆器的姿态控制技术都提出了很高的要求。因此,变推力发动机技术是首要的技术突破。

此外,“嫦娥三号”的着陆器还必须具有“高智商”,它能仔细扫描月面,到了距月面高度100 米处会像直升机一样悬停一会儿,仔细观察下方是否平缓,然后控制调整到适宜的位置并实施着陆。

为实现软着陆,不让着陆器直接撞击到月面上,必须先点火“把它顶上去”,到达距月面4 米高的地方再把所有的发动机关闭,以免扬起月尘而影响设备工作。为缓减冲击力,着陆器的每条腿都能吸收冲击力,每只脚都做了一个大“鞋垫”,让它在月面上能滑行缓冲一下。

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其次是实现了巡视探测的突破。“嫦娥三号”探测器着陆后,月面巡视器也就是月球车将被释放出来,着陆探测器和月球车就此分开工作。着陆器携带有近紫外月基天文望远镜、极紫外相机、月壤潜入仪、工程参数测量(或称工程载荷包)、载荷数据控制器等7 套仪器;而巡视器携带有光学成像、测月雷达、红外光谱仪、粒子激发X 射线谱仪、载荷数据控制器和工程载荷包等8 套仪器。着陆器和月球车可以互相监视,用各自携带的相机“互拍”,到时候着陆器还会拍下月球车上的国旗标志,再传回地面。

“嫦娥三号”携带的近紫外月基天文望远镜能从月球观测宇宙,因为没有大气层屏障,很小的望远镜就能看得很远;极紫外相机既可拍摄月球的地形地貌,也可以在飞行过程中拍摄地球;着陆器上的雷达主要用来测量收集月球的地质信息。这是美国“阿波罗”登月计划结束后首个重返月球的软着陆探测器,也是世界月球探测史上的首次。特别是设计拍摄国旗环节,可作为我国探测器登上月球的一个证据。最后一个突破是月夜生存,即突破在严酷环境下生存以及深空测控通信等关键技术。月球上一昼夜相当于地球上的28 天,月昼有高达150℃的高温,而月夜温度仅有-180℃,这些都是严峻考验。因为很多设备的工作温度都有严格限制,因此,月面生存必须采用可靠的热控制系统,也就是必须通过多途径降温和保温。比方说,到了晚上,原本展开的太阳翼就会折叠起来,像被子一样覆盖在月球车上,当然还有其他措施。如果不能持续提供能源,保证一定温度,所有的仪器都会被冻坏,唯一能满足这种严苛要求的是采用原子能电池,它可在这种恶劣环境下连续工作30 年,这项技术我国已经攻克。

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在月面执行探测任务的我国月球车示意图

此外,我国航天人还相继攻克了自主导航与控制技术、新型敏感器、特殊材料等技术,大大带动了这些科技水平的发展。同时,为满足月球探测二期工程测控通信的需要,兼顾未来深空探测发展,地面将建立先进的大口径、多频段的天线站,并研究精确测定轨的模型与方法。与此同时,探测器还肩负着研究更高增益的编码技术和天线技术的任务。我国现已掌握了这些核心技术,具备了覆盖火星探测的测控通信能力,极大地提升了测控通信技术水平,带动了信息、无线电、机械制造技术等的发展。

放飞梦想,心潮澎湃,我们耐心等待着激动人心的历史时刻;它放飞的是中华民族伟大复兴的信心,延续的是华夏儿女自强不息的脚步!

 

名词解释:

甚长底线干涉量度法(VLBI):把几个小望远镜联合起来,达到一架大望远镜观测效果的观测方法。

 





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