嫦娥计划拷贝升级
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作者: 王莉萍
嫦娥一号和二号的两次绕月,第一次是试探性,第二次是有选择性的,精度的改进尤为突出;而嫦娥三号将会触摸月球
50年后,翻看中国深空探测史,嫦娥二号也许最有可能被忽略。
10月1日18时59分57秒,嫦娥二号由长征三号丙火箭运载升空。经过100 多个小时的飞行,至10月6日11时6分,嫦娥二号成功实施第一次近月制动。半小时后,进入周期约12小时的椭圆环月轨道。
与2007年发射的嫦娥一号不同,作为中国探月工程二期的先导星,其使命是承前启后,即为演练、验证嫦娥三号运行过程的某些关键技术,以及绘制科学家为嫦娥三号在月球上预选的着陆区――虹湾区的高分辨地形地貌图。
开辟地月直航道
2004年1月23日,国务院正式批准中国月球探测工程(嫦娥工程)立项实施。该工程分为绕月探测、落月探测和月球采样返回三期工程。一期工程的总经费14亿元人民币,嫦娥一号完成了绕月探测。
而造价不超过10亿元的嫦娥二号,原本是嫦娥一号的备份卫星,因此两颗卫星在结构、功能和重量上并没有太大差别。
在嫦娥一号圆满完成任务后,没有必要再发射备份星。于是,“在原嫦娥二号上做了一些改进,执行对月球进行‘精细探测’任务,以利于今后嫦娥三号安全地在月球表面软着陆。”中国探月工程高级顾问、中科院院士欧阳自远在接受《财经》记者采访时说。
尽管屈居配角,嫦娥二号的改进仍是极具创新性的:奔月时间由14天缩短为5天,轨道高度由200公里降低为100公里,CCD相机空间分辨率由120米提高到小于10米,激光高度计测量月面高程由每秒一次提高到每秒五次。
欧阳自远认为,嫦娥二号卫星任务成败的关键是:10月6日能不能顺利被月球捕获并进入绕月轨道,这一悬念在当日11时38分已被顺利消除。
为了控制“一往无前”的惯性,嫦娥二号必须进行“转身”和多次“刹车”。“如果中间有一点麻烦,一点不到位,就有可能与月球擦肩而过,甚至可能会撞上月球。测控方案中准备了不止一个备用方案,哪里出错就要补救。但是6日上午这次进入环月轨道,连微调都不用做了,运算和实际操作技术十分高超。”国家天文台研究员李竞对《财经》记者说。
卫星从地球到月球,两个天体的万有引力永远都在起作用,但是必然要经过一个位置,地球与月球的引力达到平衡,越过平衡点之后,月球的引力大于地球的引力,卫星被月球俘获后,此时,卫星主要受到月球引力场的作用。
嫦娥一号在地球的调相轨道阶段是不断提高远地点,不断加大卫星的速度,使卫星的速度提高到大约10.5km/s(速度大大超过所有的近地卫星), 进入奔月大椭圆轨道, 即地月转移轨道。
嫦娥二号利用火箭的推力,将卫星的速度达到每秒10.46公里, 直接进入地月转移轨道,即一个大椭圆奔月轨道。嫦娥二号采取第一次近月制动,使卫星的速度小于月球的逃逸速度,在距离月球110公里处,被月球俘获,成为周期为12小时的绕月卫星。
与嫦娥一号绕地球三圈之后才进入环月轨道的较为保守的方案不同,嫦娥二号的奔月体现了中国科学家的自信。嫦娥二号直接发射至地月转移轨道,待几次中途修正和近月制动后,即进入绕月轨道,地月飞行时间从14天缩短至4天零16小时。
至10月6日,嫦娥二号已出色完成其在工程方面的主要任务之一――试验新的、直接奔月轨道,降低了探月工程二期的技术风险。
但是,“任务还没有完,还得把远月点降低――现在距离2000公里,最后得变为100公里,这个过程中出一点错误,它就扎进月球了。”李竞说。
为软着陆做准备
探月二期工程最大的难点是如何“落”月,科学家们为嫦娥三号携带的月球车着陆选择了多个点,首先要保证安全,必须考虑那里的地形地貌;第二要考虑能源供应;第三,通讯要畅通。此外,还要选在其他国家没去过的地方。
虹湾是月球朝向地球方向的一大片平地,降落比较容易,该区南北约100公里,东西约300公里,成为科学家们眼中的最佳落点。
嫦娥二号必须对嫦娥三号运行过程的某些关键技术进行演练和验证。嫦娥三号将从距离月面100公里位置开始调轨。
中国科学院空间科学与应用研究中心副总工程师孙辉先对《财经》记者解释,嫦娥一号和二号都是极轨,即卫星轨道穿过月球南北极上空。不过,嫦娥一号绕着距离月球200公里的环月轨道,嫦娥二号则要进入调整难度更高的100公里环月轨道。
此外,嫦娥二号还要完成一个更高难度的动作。嫦娥三号将从距离月面15公里处开始降落,因此嫦娥二号需从100公里的圆轨道过渡到近月点15公里、远月点100×100公里的椭圆轨道。
“这样的轨道设计,就要求卫星飞得更低,离月球更近,意义就好比以前你能看到一辆小轿车的外貌,现在你连车牌号都能看见了。”李竞说。
椭圆轨道设计使嫦娥二号再次面临巨大的风险。
地月系统运动的规律是,月球的自转周期,和它绕地球的公转周期一样都是近一个月的时间,所以在地球上始终只能看到月球的一面,另一面则永远无法看到,研究人员称之为 “死角”。嫦娥三号的备选着陆区在月球的正面,就是月球朝着地球的一面。那么要实施近月点15公里、远月点100公里的轨道变轨,让这个轨道的近月点正好在着陆备选地虹湾区,嫦娥二号此次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,也就无法人为干预和控制嫦娥二号,只能依靠其设置好的自主控制程序进行。
“要改变轨道,达到我们所需的角度,设计、测控一个新的轨道,很具有挑战性,其他国家此前也没有做过。”李竞说。
嫦娥二号要对虹湾区进行详查,精细地测绘着陆区的地形地貌,进行高分辨率成像(高分辨率三维影像的空间分辨率要达到1米左右),以便为嫦娥三号、四号携带的月球车在月球上着陆和之后的活动做准备。
1994年,美国向月球发射的克莱门汀号探测器,对全月球进行了高精度的摄影测量,获得了许多极有价值的专业地图,包括全月球表面铁和钛资源的分布图。但在今年9月19日至24日于意大利罗马举行的2010年欧洲行星科学大会(Angelicum Centre Pontifical University of Saint Thomas Aquinas)上,嫦娥一号提交的“全月球微波图像”依然成为最耀眼的成果,被评价为“全世界第一幅全月球微波图像”。
而嫦娥二号将获取更高分辨率的全月球微波图像,“未来这个图像要与嫦娥一号任务制作出的全月微波图的数据互补、相互校正和融合。”欧阳自远说。
为了绘制高分辨率的全月球微波图像和嫦娥三号预选着陆区的精细地形地貌图,嫦娥二号卫星必须完成两件事。
一是提高相机分辨率,在距离月面15公里拍摄时,相机的空间分辨率要接近1米,并且从嫦娥一号激光高度计一秒钟测一个点的高程,提高到一秒钟测五个点的高程。
另外,由原来嫦娥一号每秒3兆的数据传输速率提高到6兆至12兆,这意味着地面人员从嫦娥二号获取的数据量会大幅提高。
对于地面工作人员而言,他们要一直等到嫦娥二号完成这一系列的任务才能真正地开酒庆祝。
嫦娥二号的归宿
嫦娥二号也有新麻烦:嫦娥一号运行的2007年至2008年,是太阳活动的低谷年,而嫦娥二号运行的2010年至2011年的半年时间,太阳活动逐步活跃起来。
对此,欧阳自远很乐观,他认为,这有利于探测太阳活动峰年时地月与近月的空间环境,同时,也为嫦娥二号卫星上携带的γ射线谱仪和X射线谱仪提供了极为有利的探测条件。
这些经过技术改进的γ射线谱仪和X射线谱仪,可以探测月球表面九种元素――硅、镁、铝、钙、铁、钛、钾、钍、铀。美国是月球资源探索的先行者,1998年美国发射的“月球勘探者号”探测器,获得了铀、钍、钾、钛、铁等矿产资源的分布图和水冰的全月球分布图,圈出了这些资源的富集区。而中国此行要探清九种元素的含量与分布特征,获得更高空间分辨率和探测精度的元素分布图。
李竞则认为,太阳活动逐步活跃有不利的一面,此行仍存有风险:不断爆发的太阳射线,可能击穿仪器,也可能使地面操纵的信号被打断,“γ射线谱仪和X射线谱仪可以得到丰富的太阳资料,但我们首先得让探月行动平安。”
对于中国而言,没有探月经验是最大的障碍,所有的路都要自己摸索,“国际航天俱乐部”是绝对排他的,几乎没有经验和教科书可供参考。
惟一有路可循的就是嫦娥二号的归宿问题。嫦娥一号在完成使命后,有控制地撞落在月球表面。科研人员为嫦娥二号设想了三种结局:嫦娥落月;嫦娥“远嫁”他方,即飞向更远的太空;嫦娥回“娘家”,也就是飞回地球并成为地球卫星。
后两种无疑是更大胆的设想。欧阳自远认为,“嫦娥一号和二号(归宿)基本相同,没有那么大能量(允许它)再返回来。” 但如果将嫦娥二号弃之不理,它就有可能干扰后来者,与国际惯例有违。
2006年,欧洲航天局发射的探月器“智能1号”(SMART-1)撞击月球,“砸”出十多公里厚的“尘埃”供天文学家研究。由于撞击过程与石片在水面上打水漂相似,英国媒体戏称其为人类历史上最大的一次“打水漂”游戏。
“在卫星还处于可控制的时刻,使其撞向月球表面,最好落在目标地点,即嫦娥三号预备着陆的地区,这也是军事目的之一。”李竞分析说。
所指的军事目的,主要是考验中国的远距离控制能力。
嫦娥二号绕月探测卫星的总设计师黄江川曾对媒体表示:“最终采用哪种方式,还要看前期主任务执行情况以及卫星的状态和能力。到时候各方专家肯定会汇集到一起,共同研究,决定嫦娥二号的终极命运。但我相信一个最起码的思路是,会为卫星选择一个最具意义、可利用价值最大的归宿。”
嫦娥二号找到归宿之后,一次完满的绕月行动才算落幕。
更遥远的任务:载人登月
中国探月工程分三期,其中探月二期将实施三次飞行任务,即嫦娥二号、三号和四号。总体科学目标是月球软着陆和月球车巡视勘察。
嫦娥三号和四号的软着陆器在月球进行就位探测之后,月球车从软着陆器中走出后,开始进行巡视探测。这一时刻按中国探月工程二期的时间表(2007年-2012年),大约在2012年之际将会通过电视直播。
而承担运送嫦娥三号的运载火箭将是“长征三号乙”,这将是它第一次发射地月转移轨道航天器,今年9月它发射了鑫诺6号卫星,可捆绑四个助推器,实力强于他的两个兄弟――分别运载嫦娥一号、二号的长征三号甲和三号丙。
2012年-2017年是中国探月三期,主要目标是实现月球表面软着陆并采样返回。这意味着在2017年前后,中国在基本完成不载人月球探测任务后,才有可能根据当时国际上月球探测发展情况,以及中国的国情国力,择机实施载人登月探测,或者还会与有关国家共建月球基地。
《财经》记者此前获得的资料显示:中国探月工程经费预算为,第一期14亿元人民币,大约3年半拨付,2004年中国GDP15万多亿,即每年大约占GDP的三万分之一至四万分之一。探月工程的第二、三期投入,依然有望大约占每年GDP的四万分之一。
年初,奥巴马政府公布的计划,在今后五年向美国航空局增加60亿美元预算,主要用于研究更先进的运载火箭,以及实现人类在太空长时间旅行。与此同时,重返月球计划被叫停,美国把太空探索的目标从月球转到了更远的火星。对于科研人员而言,深空探测月球只是第一步,火星是第二步。
“关于奥巴马政府取消重返月球的计划,我问过一些国家的首席科学家,目前各国都按照各自的计划进行,几乎没有(因此而)改变。”欧阳自远说。
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