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特别策划

发布时间:2007-11-24
嫦娥奔月是中国古代神话中一个美丽动人的故事,这个故事承载着中华民族千年的登月梦想。如今,梦想真的实现了。嫦娥一号的成功发射拉开了中国探月的序曲,同时也标志着中国自主深空探测活动的开始。中国自主打造的这位“婀娜仙女”—嫦娥一号究竟有什么“神功”?那就让我们来仔细看看她的娇美容颜和飞天舞姿吧。 2007年10月24日18点05分,在我国西昌卫星发射中心三号发射工位上,长征三号甲运载火箭伴随着巨大的轰鸣声腾空而起,我国自行研制的第一个月球探测器嫦娥一号从这里升空飞向月球。它是中国第一个空间探测器,是继人造卫星、载人航天之后,中国航天的第三个里程碑。从此,我国成为世界第五个发射月球探测器暨空间探测器的国家,因而引起全世界的广泛关注。 探月是中国航天发展的必然选择 探测月球是人类早已有之的一个共同愿望,在人们还没有能力登上月球的时候,就只能依靠幻想。于是,世界上许多民族都创造出绘声绘色的关于月亮的故事,表达他们对月亮的向往。今天的技术已经能够实现人类的理想,但探月的意义已经不仅仅局限于对月球进行科学考察,它同时具有重大的技术、政治、经济等意义,所以随着我国经济和技术的发展,综合国力的提高,我国在开展人造地球卫星和载人航天之后,开展自主的探月活动也就是顺理成章的事情了。 20世纪90年代中期,美国提出重返月球,欧洲、俄罗斯、日本、印度等国家也相继提出各自的月球探测计划,在世界上掀起第二轮探月热潮时,我国曾组织相关专家对开展我国月球探测的必要性、可行性进行过初步的分析与论证。经过长时间的酝酿和初期准备,2001年10月,我国月球探测计划项目立项。又经过两年多的努力,落实了探月工程的技术方案。建立了全国大协作的工程体系,提出了立足我国现有能力的绕月探测工程方案。 2004年1月23日,国务院正式批准了月球探测工程一期—绕月探测工程立项。2004年2月25日,经国务院批准,成立了绕月探测工程领导小组,第一次会议上通过了《绕月探测工程研制总要求》,同时宣布:中国绕月探测工程于当日起正式实施,并将绕月探测工程正式命名为“嫦娥工程”。 2007年8月,绕月探测工程完成了嫦娥一号卫星的研制,通过了各项试验考核验证,嫦娥一号卫星诞生了。 作为完全自主创新的绕月探测工程是我国在深空探测领域首次开展的重大科技工程,它有利于提高综合国力,增强民族凝聚力;也有利于促进基础科学的创新和发展,带动其他高新技术进一步飞跃;有利于在外空事务和未来开发月球资源中维护国家利益;为深空探测的向前发展奠定技术基础。 绕月探测工程的实施,标志着中国航天向深空探测进发的开始。嫦娥一号与我国以往的人造地球卫星相比,创造了中国航天器史上多个第一的记录:第一个进入月球轨道的航天器;第一次在飞行中实现9次以上变轨的航天器;第一次使用紫外敏感器进行姿态确定的航天器和第一次实现远程测控通信的航天器等。 九大分系统使嫦娥一号构成一个有机整体 绕月探测工程的核心就是嫦娥一号绕月探测卫星。与人造地球卫星相比,嫦娥一号要飞到离地球约38万千米的月球,这在中国航天史上是第一次,对通信、制导、电源等诸多方面的要求都更为复杂,提出了许多新的挑战。 选择可靠的卫星平台 人造地球卫星都是由卫星平台(框架及保障)与有效载荷(主要是仪器)两部分组成,作为绕月探测卫星的嫦娥一号也不例外,像其他一些人造地球卫星(主要是通信卫星)一样,嫦娥一号也选择东方红三号卫星平台的结构和推进系统为基础进行研制。 所谓卫星平台,就是由保障系统组成的、可支持一种或几种有效载荷的组合体。它类似于汽车底盘,可以改装成不同的车辆或运送不同的货物,实际上就是除了有效载荷以外卫星的其余部分。其保障系统是指为有效载荷正常工作提供支持、控制、指令和管理保障服务的各分系统的总称。按各自服务功能不同,卫星保障系统主要由结构与机构、热控制、电源等分系统组成。所以,卫星平台不论安装什么有效载荷,其基本功能是一致的,只是具体的技术性能会有所差别。 选用东方红三号卫星平台作为基础有三个主要原因:一是它具有较大的承载能力,对于绕月探测卫星的有效载荷承载能力最大可达200千克,其构型布局可以满足月球探测有效载荷的需求;二是这个平台的推进系统可提供充足的轨道机动能力,能满足进入超地球同步转移轨道后多次变轨的轨道设计要求;三是它非常成熟和高度可靠,已成功用于10多颗卫星,且具有充足的适应性修改能力。 九个分系统协同运作 嫦娥一号由结构,热控,供配电,制导、导航与控制、推进,数据管理,测控和数据传输,定向天线和有效载荷等9个分系统组成。这些分系统各司其职、协同工作,保证月球探测任务的顺利完成。其中星上有效载荷用于完成对月球的科学探测,其他分系统则为有效载荷的保障系统。这些分系统就像人体的“五脏六腑”一样缺一不可。 正是有了这9个分系统的相互合作,嫦娥一号卫星才能够在遥远的太空中完成自己的使命。 嫦娥一号的外形与东方红三号卫星相似,为一个2.22米×1.72米×2.2米的六面立方体,两侧各装有一个大型展开式太阳电池翼,当两侧太阳翼完全展开后,最大跨度可以达到18.1米。其质量2350千克,设计工作寿命为一年。    三体定位是月球探测的关键技术 与人造地球卫星相比,绕月探测卫星要采用较多新技术,例如,在制导、导航与控制分系统中的三体定向技术,这样嫦娥一号才能够有正确的飞行方式,开展正常工作。 三体定位 除个别人造地球卫星外,一般的人造地球卫星只需同时进行两体定向,即卫星上的太阳电池翼对准太阳,以保证获得足够的光照并产生足够的电能;而卫星上的探测仪器对准地球,完成遥感任务就足够了。 嫦娥一号的探测目标是月球,所以不仅要保证其所携带的科学仪器对准月球,星上的太阳电池翼对准太阳,同时还应将它的定向天线对准地球,从而使嫦娥一号在环绕月球飞行的过程中,在限定时间内把自身工作状态的信息和科学仪器的探测数据及时发回地球。 地球、太阳和月球的空间位置随时都在改变,而且比较复杂,因此就给三体定向带来很多困难。 为使嫦娥一号上的科学仪器始终对准月球表面进行连续探测,嫦娥一号采取三轴稳定的姿态控制方式,这样可以保证星体上安装科学探测仪器的一面始终朝向月球,满足遥感探测的需求。 在星体姿态固定后,太阳电池翼采用了可一维转动的驱动机构,它能带着太阳电池翼像桨轮一样实现360°的转动,使太阳电池翼总是尽可能地朝向太阳,以获取最大的电能,从而为嫦娥一号提供充足的能源。 为了能使嫦娥一号的定向天线一直对准地球,从而把科学探测数据及时传输回地球,定向天线采用了双轴驱动机构,它可在半球空间内任何方向实现高精度指向定位要求,使定向天线具备对地球的跟踪指向能力。 姿态敏感器 嫦娥一号上的科学探测仪器只有在垂直对准月面时才能最好地发挥功效,因此需要对嫦娥一号的姿态,特别是俯仰方向和滚动方向的姿态进行实时控制,及时纠正各种因素引起的卫星姿态偏差,以确保科学探测仪器始终处于最佳工作状态。而制导、导航与控制分系统中的紫外敏感器就是一种用于测量嫦娥一号对月姿态的光学姿态敏感器。 在地球大气层内存在着很稳定的红外辐射,无论白天黑夜、阴晴雨雪、风云雷电,红外辐射带始终呈现为一个完整的圆盘,而且辐射强度、圆盘直径变化都很小。由于地球大气温度相对太空背景温度要高很多,红外辐射也要比太空背景红外辐射强度高,因此,人造地球卫星一般采用“红外地球敏感器”来探测地球的位置信息,然后经过一定的技术处理获得地心垂线方向,即可得到俯仰方向或滚动方向的姿态偏角。 月球没有大气层,也就不可能具有稳定的红外辐射带。此外,月球本身不发光,仅反射太阳光,而且随阳光照射角及观察方向的不同,月球会呈现不同的月相,也就是通常所说的“月有阴晴圆缺”。由于阳光照到的部分辐射很强,而阳光照不到的阴影部分,辐射弱得几乎探测不到,所以在嫦娥一号上不能使用红外敏感器对月球进行定位。 那么该采用什么样的敏感器来作为嫦娥一号的“眼睛”呢?经过研究发现,月球在短波谱段辐射比较均匀,这表明如果观测月球的紫外谱段,月面明暗反差会有所改善,也就是说能够“看”清楚月面大部分的地形地貌。因此,嫦娥一号采用紫外敏感器作为“眼睛”盯着月球,一旦发现嫦娥的正面不正对着月球,就会随时作出调整。  …… (更多精彩图片及完整内容请阅览《科学世界》2007年11月号)

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