国庆献礼嫦2奔月

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  月亮,离我们很远;但是,我们离月亮已越来越近。2010年10月1日18时59分57秒,搭载着嫦娥2号卫星的长征3号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射。
  
  嫦娥2号原本是嫦娥1号的备用星,在嫦娥1号圆满完成任务之后,嫦娥2号的主要任务就转变为替嫦娥3号踩点。嫦娥2号完全“中国造”。据有关报道显示,哈尔滨为嫦娥2号提供了胶黏剂、铝合金筋骨以及支撑天线的展开臂等科研成果:卫星“骨架”与润滑油多为“重庆造”:河北主要贡献了测控、可视化、制氢设备的相关技术与配套零部件和电路板;关键部位的配套轴承,则来自河南。
  嫦娥2号卫星质量为2480千克,其中燃料质量约1300千克,7种科学探测设备重约140千克。发射嫦娥2号的长征3号丙运载火箭全长54.84米,起飞质量345吨,运载能力为3.8吨,嫦娥2号发射将是长征系列火箭的第131次飞行,2010年中国第10次航天发射。相比嫦娥1号先发射到地球附近的调相过渡轨道,再经过多次调整进入奔月轨道,嫦娥2号取消了调相轨道飞行,改为直接进入地月转移轨道。由于采用了不同的轨道设计,嫦娥2号用5天即可到达月球,将嫦娥1号近14天的奔月时间大大缩短。
  嫦娥2号卫星在奔月途中,将视情况进行2-3次轨道修正,以保证与月球准确交会。相比嫦娥1号在200千米处的近月捕获,嫦娥2号实施近月捕获时飞行速度更快、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,大大提高了对卫星制动控制精度的要求。在嫦娥2号任务实施过程中,将首次试验低密度校验码遥测信道编码技术,以提高星地通信能力;首次试验×频段测控体制和校差差分单向测距等技术,以提高卫星测定轨精度:首次开展紫外敏感器自主导航、高速数据传输等试验,为后续探月及深空探测任务积累重要的技术基础。我国新研制的CCD相机采用多条线阵CCD对同一目标多次曝光的原理,以满足分辨率提高对相机曝光的控制要求,是我国相关载荷研制技术的一个重要突破。嫦娥2号的传输科学数据的能力已是嫦娥1号的2倍,从3兆码(3兆月吵)的速率扩展到6兆码速率。嫦娥2号还会试验12兆码的传输能力,这将保证卫星获得的高分辨率数据能够尽快传到地面。
  嫦娥2号卫星随身携带了执行探测任务的7种仪器装备:TDI—CCD立体相机、激光高度计、×射线谱仪、y射线谱仪、微波探测器、太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器。为嫦娥3号实现月球软着陆进行部分关键技术试验,并对嫦娥3号着陆区进行高精度成像,获得更清晰、更详细的月球表面影像数据和月球极区表面数据,因此这次搭载的CCD照相机的分辨率将更高。
  由于月球上既有数千米的高山,也有几千米的深谷,光用CCD立体相机还不能精确测量出高山和深谷的高度、深度,需要激光高度计助力。激光高度计相当于激光雷达,可以打一束激光到月球表面,并接受反射光。这样,通过计算激光返回时间,就可以获得卫星离月球表面的距离。嫦娥2号上的激光高度计经过改进,探测频度由嫦娥1号的1秒钟采一个点,增加到1秒钟采5个点,相当于卫星绕月球每飞300米就有一个探测点,密度增加了5倍。利用TDI—CCD立体相机可获取分辨率更高的月球表面三维影像,结合激光高度计获取的月表地形高程数据,可获取月球表面高精度地形数据,为后续着陆区优选提供依据。同时,也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。y射线谱仪主要通过测量月表物质的y射线,探测有用元素的含量和分布,该仪器已于10月4日开机,完成了y射线宇宙弥漫背景数据的获取。×射线谱仪的功能是通过测量月表物质的荧光×射线谱,获得月球表面有用元素的含量和分布。微波探测仪主要用于测量不同深度的月球土壤微波辐射亮温,进而反演出月壤厚度的信息。太阳高能粒子探测器主要通过对来自太阳的带电粒子通量的分析,获得地月空间环境的科学数据。太阳风离子探测器主要探测原始太阳风离子能谱等反映地月空间环境的重要数据。
  一方面,嫦娥2号运行和探测获得的大量科学数据传输,将对地面应用系统形成考验;另一方面,由于嫦娥2号需要执行科学任务,有时候需要变换姿势,因此,测控系统需要时刻关注卫星状态,并在必要时修正姿态,保持正常轨道。此外,嫦娥1号卫星携带的CCD相机为自主完成成像,图像分辨率较低:而嫦娥2号任务为满足月球虹湾地区高分辨率成像需求,需要地面利用轨道预报生成CCD相机相关参数数据,并注入卫星才能完成成像。降轨探测,将在距月球15千米处拍摄嫦娥3号落月备选着陆区。
  嫦娥2号配合运载火箭验证地月转移轨道直接发射技术:验证距月面100千米近月制动的月球轨道捕获技术;验证100千米×15千米轨道机动与飞行技术等。(探测使命)获取更高精度月球表面三维影像;探测月球物质成分;探测月壤特性,探测地月与近月空间环境等。
  嫦娥2号卫星在100千米的环月圆轨道上调整并运行一段时间,将在月球背面自主降轨,进入一个近月点15千米、远月点100千米的椭圆轨道,然后顺轨道飞到月球正面的虹湾上空15千米处。卫星上搭载的新研制的TDI—CCD立体相机将对这片地区进行优于1.5米分辨率的成像,勘察地形地貌。嫦娥3号探测器的月球备选着陆区虹湾位于月球的正面,而嫦娥2号卫星要想在最近点接近虹湾,就必须在其反方向降轨,位置恰恰在月球的背面。当卫星飞经月球表面高约6~7千米的山峰时,两者最小间距可缩短为8~9千米,可谓是一次最亲密的接触。而离月球越近,卫星经受的热度越高,这对卫星的热控设计也是一个考验。可以预见的是,嫦娥2号的科学探测结果,将非常值得期待。
  2004年初,我国政府正式宣布启动绕月探测一期工程,并命名为“嫦娥工程”。月球探测卫星是整个月球探测工程中的重中之重。就像其他国家都为自己的月球探测工程取一个名字一样,中国的月球探测工程取了一个非常浪漫的名字,叫“嫦娥工程”。
  实施“嫦娥工程”,将为人类开发利用月球资源做准备。人类已取得的月球探测成果表明,月球上特有的矿产和能源,是对地球资源的重要补充和储备。比如,月球上大量存在的氦-3,据初步估算,月球上蕴藏的氦-3可供人类使用1万年以上。目前的核聚变研究主要以氘和氚为原料,但因氚容易污染环境,也会对人体健康造成影响,而氦-3是氦的同位素,能在核聚变反应中释放巨大能量,而且几乎不产生放射性污染,被认为是21世纪人类社会完美的能源原料。另外,由于月球上太阳辐射强,每年可产生12亿千瓦的能量,因此,在月球建立太阳能 发电站也可能成为人类获取新能源的途径之一。
  
  嫦娥工程的国际环境
  
  俄罗斯的月球探测步骤以“月球-2”探测器为标志,进行月球表面硬着陆,直接命中月球。在接近月球过程中,发回图像并试验月球表面的坚实程度,为软着陆做准备。“月球-3”探测器则沿抛物线或双曲线规定从月球近旁飞过,对月球摄像,获取地形地貌信息,并探测近月空间环境。而“月球-9“探测器则从近月轨道进行制动,利用反推火箭减速,最后探测器平稳降落在月球表面,试验月球表面的承受能力,拍摄高分辨率照片,并进行月震、月壤成分、月球磁场等测定。“月球-10”探测器则环绕月球飞行,对月球照相,探测近月空间环境等。“月球-16”探测器在月球软着陆后取样并返回地球。“月球-17”探测器在月球上软着陆后,释放月球车,对月球进行摄影、月壤分析等自动巡视探测工作。另外,俄罗斯利用“探测器一5、6”飞越月球并返回,主要目的是试验从月球到地球返回技术,为载人登月进行技术试验。
  美国的月球探测步骤发射“先驱者”探测器,在月球近旁飞越。发射“徘徊者”探测器,在月球表面硬着陆。发射“堪测者”探测器,在月球表面软着陆。发射月球卫星,对月球照相,为载人登月选择地址。发射不载人和载人飞船,试验载人登月和返回技术,实旌载人登月。美国于1994年以来,发射月球卫星,对月球资源和能源进行更为详细的探查,为重返月球,进行月球资源和能源的开发利用以及建立月球基地做准备。
  可以看出,尽管俄罗斯和美国在月球探测步骤上有所不同,但都是由易到难,逐步深入,分步实施。
  
  嫦娥工程“三步走”
  
  中国的月球探测活动是在基本掌握了地球轨道航天器研制、发射和运行控制技术的基础上实施的,比俄罗斯和美国早期月球探测具备了更坚实的技术基础。经过综合分析国际上月球探测已取得的成果,以及世界各国“重返月球”的战略目标和实施计划,考虑到我国科学技术水平、综合国力和国家整体发展战略,有关方面确定了“嫦娥工程”将分为“绕、落、回”三步走的发展目标。
  第一步:实现绕月飞行。研制“嫦娥1号”月球探测卫星,在2007年实现围绕月球飞行,开展对月球的探测活动。这些探测活动包括看看月球究竟长得什么样,为月球画像,分析月球上的土与地球土有什么不一样的地方,化验各种成分的含量,测量月球的环境究竟是怎么样的,为以后探测器着陆选择着陆地点,等等。通过“嫦娥1号”月球探测卫星的发射,我国突破了从地球到月球38万千米的遥远路途上,月球卫星怎样飞,到达月球后,卫星怎样按照地面技术人员的指挥在轨道上飞行和工作,怎样对付月球上300多度温差等月球探测的基本技术,为后续任务的开展扫清障碍。
  第二步:探测器在月面上降落。预计在201 2年前后,我国将发射一颗月球软着陆器,对月球进行实地探测。这个探测器还将携带一台月球车,进行首次月球软着陆,用月球车对月球表面进行自动勘察。到那个时候,我国的月球车将缓缓地行进在月球凹凸不平的山谷和广阔的平原上,车上的照相机和其他各种探测装置都将睁大眼睛,把所到之处看到和感受到的地形、地貌、环境、温度等信息传回到地球的数据接收站。自动机器人也将伸出长长的手臂采集月壤和月球岩石进行化学成分、矿物组成分析,还将安装月震仪、探月雷达,探测月球身体内部的结构,去看看月球的五脏六腑。着陆器上还将设置一系列天文仪器,开展月球天文观测。这些工作除了可以供地面科学家进行月球有关科学的研究外,还将为以后的月球基地建设提供数据。
  第三步:探测器进行月面巡视勘察与采样返回。大概在2017年前后,我国发射的月球着陆器将再次在月面上实现软着陆,进行近距离考察,并获取月面的样品。着陆器的舱门打开后,新型月球车将从舱内缓缓驶出,分辨率更高的相机将对月球拍照。这台着陆器还将把一台月球表面钻岩机送到月球上。随着月表钻岩机的转动,所钻下来的月球内部的岩石粉末将被放到标本收集器里,灵活的机器人也将不停地伸出手臂,捡起月面的石头,放到标本收集器里。新型月球车完成了在月球表面上的探测和采集样品工作后,把采集到的标本放进返回舱,返回舱将在地面的控制下返回地球。通过这样一段时间的工作,除了采集了极有价值的样品、标本供科学家研究外,也为我国月球探测的下一步目标,即载人登月探测、建立月球前哨站乃至建设月球基地的选址提供数据。
  “三步走”的计划完成后,在对月球的了解进一步加深的同时,我国将根据国际上的月球探测发展情况和国情国力,制定新的月球探测计划,在这个计划中,也许将包括中国宇航员登上月球进行科学考察和建立月球基地的计划,也许还将启动月球旅游的计划呢!
  总之,“嫦娥工程”的开展,既是对我国航天技术发展的一次检验,更是中国航天技术的大提升。中国航天完全有能力在现有的基础上,通过持续不断的技术创新和开拓,实现“嫦娥奔月”的梦想,使中国步入世界上月球国家的行列,实现深空探测的“零”突破。
  
  月球探测的意义
  
  深空探测是一个重要的航天领域,月球探测是深空探测的首选目标。科学家认为,月球环境是人类的宝贵财富。筒言之,人类在21世纪之初再度探月,主要担负了三个任务。首先,月球到底从何而来?其次,怎样开发利用月球上丰富的资源?第三,研究探索人类在月球上居住和生活的可能性。通过利用月面上没有被人为改造和破坏的某些本来面目,研究月球,了解月球的成因、演变和构造等诸方面的信息,有助于了解地球的远古状态、太阳系乃至整个宇宙的起源和演变,有助于搞清空间现象和地球自然现象之间的关系,可以极大地丰富人类对地球、太阳系以至整个宇宙起源和演变及其特性的认识,从中寻求有关地球上生命起源和进化的线索。
  另外,月球还是一个待开发的旅游胜地。现在人们已经可以到国际空间站上去旅游了,也可以乘坐亚轨道飞行器体验失重的滋昧。虽然价格很贵,2000万美元到太空玩一趟,不是一般人所能承受得了的,但也吸引了众多富翁跃跃欲试。到月球去旅游,将会是一个更加吸引人的项目。据估计,假如世界上有1%的具有支付能力的富翁想到月球去旅行,那么,整个市场将会是1680亿美元。假如每年送500名旅游者到月球旅行,则要16年的时间才能满足8000人的需求。在这个巨大但十分遥远的市场出现之前,必须以搞清楚月球的奥秘、宇航员重返月球和月球前哨基地的建立作为一个开端。不久的将来,随着科学技术的发展,新一轮月球探测高潮的兴起和月球科学研究的深入,开发利用月球资源,促进人类社会的可持续发展的日子终将来到。
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