嫦娥二號全程揭秘 “二姑娘”後期有望試驗落月

專題:嫦娥二號衛星探月之旅

昨天18時50分許，星箭準備點火發射。新華社發

　　如果將嫦娥探月系統比作一個大家庭，嫦娥二號就是這個家庭中的“二姑娘”。今天她將攜手長三甲火箭家族的“老三”長三丙，走上一場新婚探月之旅。就嫦娥二號的載荷、登月方式等關鍵性技術環節，中國探月工程副總設計師于登雲、嫦娥二號衛星總設計師黃江川等專家予以揭秘。

　　談及嫦娥二號將來的三種歸宿時，專家表示，衛星可能會對月球做補充探測，最終考慮試驗落月。

　　奔月軌跡

　　“二姑娘”出嫁走天梯

　　嫦娥二號在奔月軌道和環月運行軌道上不同於嫦娥一號，她將直接由運載火箭送至地月轉移軌道進行奔月，這樣既可以更好地節約衛星所攜帶的燃料，同時也可以縮短衛星到達月球的時間。而嫦娥一號是先發射到地球附近的過渡軌道，再經過多次調整進入奔月軌道。

　　在環月運行軌道上，嫦娥二號主要運行在100公里的圓軌道和近月點15公里、遠月點100公里的橢圓軌道上，這樣便可以更好地探測月球表面環境，並對後續發射的嫦娥三號備選著陸區進行高分辨率成像。

　　有人做過形象的比喻：嫦娥一號衛星採用的發射軌道猶如讓衛星通過“走步梯”的方式，在星箭分離後依靠自身的動力達到奔月點，而嫦娥二號衛星直接由火箭送入地月轉移軌道奔月口，好像坐的是“電梯”，一步到位。這個比喻形象地説明了兩種發射方式的不同。

　　這種地月轉移軌道發射方式，可以大大縮短衛星奔月的時間。相比于嫦娥一號衛星，嫦娥二號衛星的奔月時間縮短了一半還多，預計112小時（近5天）即可到達月球。

　　專家指出，嫦娥二號衛星的發射成功，充分驗證了火箭直接把衛星送上地月轉移軌道的技術和能力，將成為我國探月後續工程採用的軌道方式。

　　衛星載荷

　　相機是必備“嫁粧”

　　嫦娥二號繞月飛行高度由嫦娥一號時的200公里降低到100公里，為月球拍近照。它所攜帶的CCD相機的精度也由之前的120米的分辨率提高到7米以內,分辨率提高了17倍。也就是説，相機“聚焦”精確度提高了17倍。

　　據了解，至今國際上還沒有分辨率優於10米的全月立體圖像，而嫦娥二號CCD立體相機具有這種高精度能力，將為我國探月做出國際領先的科研成果。

　　衛星一舉一動受監視

　　和嫦娥一號不同，嫦娥二號還攜帶了四台微小相機，這是它所特有的。這四台相機分別為發動機監視相機、定向天線監視相機、太陽翼監視相機和一台降落相機。

　　衛星主發動機是衛星在太空中進行軌道調整的唯一動力，其作用相當於汽車引擎。衛星在奔月途中的軌道調整、接近月球時的減速、在軌運行時改變軌道高度等關鍵動作都需要靠主發動機點火來完成。如果發動機因出現故障而失去工作能力，那麼衛星就會失去控制，壽命即告終結。對發動機工作狀態的監視一般通過遙測數據進行判讀，為了更好地了解發動機在太空中的實際工作狀況，專門給主發動機配備了一台監視相機，拍攝發動機工作的視頻圖像，供設計師參考。

　　定向天線是針對月球探測的特殊需要設計的天線，用於將衛星自身的各種信息和探測數據傳回地面接收站，是衛星與地球連接的紐帶。與地球衛星天線固定安裝不同，嫦娥二號定向天線要在月球圍繞地球轉、衛星圍繞月球飛的三體運動環境下，始終保持對準地球。也就是説，在衛星繞月飛行過程中，定向天線要隨著衛星位置的變化不斷轉動，以保持始終對準地球，否則地面站將無法接收衛星發出的信號。

　　太陽翼帆板是衛星的能量來源，也是影響衛星工作壽命的另一個關鍵部件。衛星發射時太陽翼處於折疊狀態，星箭分離後展開，在衛星飛行過程中還要不斷調整方向，以跟蹤太陽，使太陽翼獲取足夠的能量，供衛星完成成像等各項任務。

　　太陽翼展開及在地、月、星三體運動中保持對日定向的過程比較複雜，較其他系統更容易出現故障，雖然在地面做過充分的試驗驗證，但仍不能保證在太空中100%可靠。而第三台監視相機可以拍攝太陽翼展開及工作過程，獲取的圖像資料供技術人員進行深入研究，對改進太陽翼設計、提高整星可靠性非常有益。

　　黑白相機尋覓著陸點

　　實現月面軟著陸是探月二期工程的主要目標之一，著陸器在降落過程中將根據圖片自主避開不適於降落的地點，“臨機決斷”選擇一塊適宜降落的平坦表面。因此，降落相機的性能是影響著陸器軟著陸能否成功的一個關鍵因素。降落相機可根據需要選擇清晰拍攝或快速拍攝工作模式對月面拍攝。由於月面目標均為灰色，此相機為黑白相機。嫦娥二號衛星在飛行中將把軌道高度降低到15公里的高度，對這樣一台全新設計的降落相機的性能進行實戰考驗，為將來嫦娥三號的探月征程打好前戰。

　　雖然這四台相機都只有手掌大小，每台重量僅三四百克，看起來與我們平常用的數碼相機相差無幾，但集成了光、機、電、熱等多項先進技術和自動拍攝、實時圖像壓縮等智慧化功能，能應付惡劣的太空輻射、溫度環境，能承受發射時的強烈衝擊和振動。

　　運載火箭

　　“二姑娘”聯姻“老三”

　　嫦娥二號衛星總設計師黃江川介紹，對於月球探測和深空探測的航天器來説，其上天成本甚至是幾倍于同重量的黃金。因此，我國要想實現更大重量或者更遠距離的空間探測，必須最充分地利用火箭的推力，減少衛星燃料的消耗。

　　如果把嫦娥二號衛星比作“嫦娥”家族“二姑娘”的話，那麼長三丙火箭就是長三甲火箭家族的“老三”。嫦娥二號衛星的發射，實現了“二姑娘”和“三弟”的完美聯姻，可謂創造了中國航天器不同家族的傳世佳話。他們的這樁“婚姻”，還是探月專家們做的“媒”。

　　我國發射嫦娥一號衛星使用的是長三甲火箭，它是長三甲火箭家族的“大哥”。嫦娥二號作為繞月探測二期工程的先導星，這就決定了此次發射任務承擔著為繞月探測二期工程中的關鍵技術進行驗證的使命，再加上嫦娥二號的重量達到2480公斤，因此，無論是從軌道參數等技術要求還是從載重要求來説，“長三甲”都難以擔此重任。而“長三乙”的載重量對於嫦娥二號衛星的發射任務而言，又是一種浪費。在綜合了技術方面的新要求和保證經濟性、節約經費開支的雙重考慮之後，嫦娥二號的發射任務才正式交付到“長三丙”的身上。“老三”的運載能力比“老大”大一些，比“老二”小一些，用它發射嫦娥二號一點不“浪費”。

　　“移動靶”軌道確定難

　　地月轉移軌道的軌道設計要受到多方面因素的制約，其中主要包括火箭一級落區、測控覆蓋範圍和地月日三者之間的運動規律。

　　我國在西昌衛星發射中心發射的火箭，火箭的殼體按規定要落在雲南省特定的區域內。在這個區域，已經形成了發射時人員撤離的慣例，對地面人員的安全容易管理。這使火箭在一級飛行時的軌道沒有“自由發揮”的餘地。

　　第二個因素是我國發射測控網的限制。測控網主要包括三個部分，一部分是我國陸上建設的測控站，另一部分是可以使用的外國陸上測控站，還有一部分就是測控船。火箭發射時，測控系統要對火箭進行實時測控。因此，其飛行軌道必須處於測控網覆蓋的範圍內，這對一種新軌道的選擇形成了另一個很苛刻的限制。

　　第三個制約因素來自地月日的運動規律。地月轉移軌道要求星箭分離時，衛星必須處在奔月軌道的入口處，否則只有通過衛星機動的方式進行軌道調整，違背了節省衛星燃料的最基本要求。

　　“發射的時間不同，軌道的入口也不同，同時太陽直射光線的角度也會發生變化。”長三甲系列火箭設計師李聃介紹，“所以，必須嚴密考慮地月日三者之間的相互關係和運動規律。相比于嫦娥一號衛星發射時的火箭飛行軌道，本次發射由‘固定靶’升級為‘移動靶’，難度自然大大增加。”

　　運行保障

　　衛星兩面溫差300℃

　　嫦娥二號衛星總設計師黃江川介紹，和嫦娥一號200公里軌道相比，100公里軌道上的熱流增加了20%～30%。嫦娥二號衛星在100公里軌道上短期運行後溫度升高了15℃左右。因此，嫦娥二號衛星的100公里軌道工作環境將面臨100℃左右的高溫。為了應對如此高溫的“大烤”，技術人員採取了多個方面的有效措施。

　　月表的熱量主要來自太陽光。但是，由於月表具有很強的反射性，所以嫦娥二號衛星實際上面臨太陽的炙烤和月表反射光的強烈照射。這也是100公里軌道處溫度高達100℃的主要原因。另外，月球上沒有空氣等作為熱傳導的介質，因此衛星上受到光線照射的部分溫度會很高，而沒有光線照射的地方會在零℃以下，衛星的兩面可能相差300多℃。

　　對於衛星內部元器件來説，0～20℃的溫度是最理想的工作溫度。那麼如何在衛星處於高溫區的時候把星內溫度降下來呢？為了解決這個問題，衛星技術人員重新設計了熱控系統，對衛星艙內的熱交換系統進行了重新設計和佈局，衛星受到照射的部分和沒有受到照射的部分之間能夠迅速實現熱交換，從而使其不至於高者過高、低者過低，而是維持一種平衡的狀態。

　　金銀外衣堪比空調

　　出現在電視或者照片上衛星表面金光閃閃和銀光閃閃的發亮的東西，這些就是精心為嫦娥衛星織的“嫁衣”。金光閃閃的衣服有著非常好的隔熱作用，不僅能夠防止衛星熱量散失，而且可以阻止外部的熱量進入衛星內部；而銀光閃閃的衣服有著非常好的散熱作用，能夠將衛星內部産生的廢熱及時排散到外界空間中。這些金光閃閃和銀光閃閃的衣服組成了一個天然的空調系統。

　　衛星熱控系統主任設計師向艷超介紹，嫦娥二號衛星表面的金光閃閃的衣服，是一層層比羽毛還輕的膜狀物和網狀物間隔拼疊而成，共有15層。採用這種方式製成的衣服在真空環境條件下具有很強的隔熱效果，起到保溫作用，其保溫效果足以和熱水瓶瓶膽的保溫效果相媲美。

　　銀光閃閃的衣服，是一層類似鏡子一樣的膜，它具有很強的反射能力，能夠將太陽光的85%左右反射掉；同時它還具有較強的散熱能力。因此如果衛星艙內溫度過高的時候，這層銀光閃閃的衣服就可以把熱量排散掉。

　　30度夾角保護帆板

　　太陽翼是最直接接觸外部環境的衛星部件。一般情況下，它總是保持太陽光線能夠直射到太陽翼上。工作狀態的衛星基本上都是靠太陽翼來供電的。

　　“但是，嫦娥二號衛星處在高溫環境中，太陽光的持續直射，可能造成帆板溫度過高而失效。”衛星GNC系統主任設計師戴居峰説，國外已經有探月衛星因為太陽翼失效而導致整星失蹤。

　　為了使嫦娥二號衛星的太陽翼帆板在高溫環境中保持良好的工作狀態，技術人員採用多種方法來保護帆板。首先是避開太陽直射，設計人員設計太陽翼的時候使其和太陽成30夾角，而不是直接垂直于太陽光線，這樣溫度就會大大降低。

　　另外，嫦娥二號衛星上的太陽翼帆板可以進行任意角度的旋轉，以達到最佳的保護效果。衛星上有一套軟體系統，在溫度達到一定的高度時，軟體可以支持衛星讓帆板停轉，這時太陽翼帆板會停留在和太陽光成60夾角的地方，帆板溫度就會降下來。

　　衛星歸宿

　　嫦娥二號有三結局

　　嫦娥二號衛星完成預計的試驗驗證和科學探測任務後，這位“二姑娘”將有怎樣的打算？嫦娥二號繞月探測衛星的總設計師黃江川介紹了三種可能的結局。

　　黃江川表示，嫦娥一號衛星最後“受控撞月”是額外完成的任務，能如此“超額”完成任務，主要是因為衛星狀態依然良好且還剩有足夠的燃料，可以對其軌道進行精確控制。

　　嫦娥二號衛星的發射將採用地月轉移軌道技術，火箭直接把衛星送入奔月軌道，可以大大節省衛星的燃料，因此如果各項任務順利的話，嫦娥二號衛星在完成半年的規定動作後，仍會有相當數量的燃料剩餘，這令“二姑娘”同樣具備“超額”完成任務的潛質。

　　我國探月工程管理部門、科學家和衛星技術人員曾經一起研討過“二姑娘”的最終命運，大致形成了三種設想，但還沒有最終下定論。

　　一種意見是，可以根據衛星在軌運行的情況，結合我國探月工程的後續進展，對嫦娥二號衛星傳回的數據進行綜合研究，對月球做補充探測，最終可以考慮衛星落月，這將為“嫦娥三號”等後續任務提供技術驗證。

　　第二種設想是讓她“遠嫁”他方，驗證我國更遠宇宙空間的深空探測能力，讓衛星飛出地月環境，飛向更遠的太空。

　　第三種設想是讓她回“娘家”，即讓她沿著月地轉移軌道，飛回地球並成為地球衛星。

　　“最終採用哪種方式，還要看前期主任務執行情況以及衛星的狀態和能力。到時候各方專家肯定會匯集到一起，共同研究，決定‘二姑娘’的終極命運。但我相信一個最起碼的思路是，會為衛星選擇一個最具意義、可利用價值最大的歸宿。”黃江川認為，把衛星的命運放在整個探月工程及未來深空探測需求中可能是最合適的選擇。

　　本報記者李鐵錚 特約記者陳全育 索阿娣 楊艷 胡永富