"嫦娥二號"本是"嫦娥一號"替補 分辨率將提至10米

專題:嫦娥二號衛星探月之旅

　　嫦娥二號衛星發射已進入倒計時，圖為搭載嫦娥二號的長征三號丙運載火箭。國新

　　嫦娥二號任務即將實施。近日，衛星、運載火箭、發射場、測控和地面應用五大系統的專家接受媒體採訪，對五大系統的關鍵技術和最新技術進行了解讀。

　　衛星系統：驗證六項新技術，承擔四大科學探測目標

　　“嫦娥二號是以嫦娥一號的備份星為基礎進行研製的，與‘姐姐’相比，‘妹妹’長了很多新本事。它的主要任務是為探月工程二期進行前期工程驗證和探測，是二期的‘探路者’。”探月工程副總設計師、中國航天科技集團公司科技委副主任于登雲介紹説。

　　嫦娥二號衛星系統總設計師黃江川介紹，嫦娥二號的主要任務是為探月工程二期進行前期工程驗證，包括配合運載火箭驗證地月轉移軌道直接發射技術；驗證距月面100公里近月制動的月球軌道捕獲技術；驗證100公里15公里軌道機動與飛行技術；對二期工程的備選著陸區進行高分辨率成像試驗；搭載輕小型化X頻段深空應答機，配合我國新建的X頻段地面測控站，試驗X頻段測控技術；試驗遙測信道低密度奇偶校驗碼（LDPC）編碼技術，月地高速數據傳輸技術及降落相機技術。

　　同時，該衛星還承擔了4項科學探測使命：一是獲取更高精度月球表面三維影像，分辨率由嫦娥一號衛星的120米提高至優於10米；二是探測月球物質成分；三是探測月壤特性；四是探測地月與近月空間環境。

　　在嫦娥一號衛星發射後不到3年時間，嫦娥二號就順利升空。雖然其主要設備繼承了嫦娥一號，但它在我國衛星型號快速研製方面積累了重要的經驗。嫦娥二號衛星系統總指揮張廷新介紹，該衛星具有四方面特點：

　　一是産品狀態多。嫦娥二號衛星上共有214台硬體設備，它們有著不同的狀態。其中，繼承了嫦娥一號的産品大約有85%，做過適應性修改的産品大約佔10%，新研製的産品大約佔5%。星上産品的不同狀態帶來的最大難題是各類型産品的研製進程不一樣，往往存在正樣産品和初樣産品一起測試的情況，大大增加了風險。

　　二是試驗驗證難。嫦娥二號上有很多新技術是原來沒有使用或者遇到過的，比如衛星上使用的490N發動機，此前它在衛星上的工作時間很短，這次需要連續工作半年，對發動機連續工作的可靠性提出了高要求。

　　三是産品無備份。嫦娥二號本來是嫦娥一號的備份星，幾乎所有的産品都沒有備份，當星上産品出現問題時，並沒有備份産品可以馬上使用，增加了研製難度。

　　四是研製隊伍新。嫦娥二號研製時，我國同時在進行嫦娥三號探測器的研製工作，嫦娥一號的主要科研人員都在進行嫦娥三號的研製攻關，這對嫦娥二號的人員隊伍組織構成了一個很大的挑戰。在嫦娥二號衛星10個分系統的主任設計師中，只有一個是嫦娥一號研製隊伍中留下來的，其他的都是原來的副主任設計師，或者原來研製隊伍中逐步走上重要技術崗位的年輕技術人員。在研製過程中，既要對年輕的隊伍進行培養，還要嚴格控制質量，真正提高研製隊伍的總體水平和能力。

　　火箭系統：首次地月轉移軌道發射將開創我國深空探測新里程

　　同樣的距離，不一樣的路。相比嫦娥一號歷時13天的奔月之旅，嫦娥二號將要走的則是一條捷徑，只用5天就可重訪“月宮”，這當中最關鍵的技術之一就是地月轉移軌道發射技術。

　　中國航天科技集團公司中國運載火箭技術研究院副院長郝照平介紹説，以往我國的火箭運行軌道均為近地軌道、太陽同步軌道以及地球同步轉移軌道。包括用長三甲火箭發射的嫦娥一號，其軌道實際上是一個超地球同步轉移軌道，星箭分離以後嫦娥一號繞著地球轉了好幾圈，然後再奔月。

　　但在本次任務中，長三丙火箭要把嫦娥二號送入近地點200公里、遠地點約38萬公里的地月轉移軌道。這是我國首次執行這樣的任務。

　　長三甲火箭主任設計師李聃告訴記者，地月轉移軌道的軌道設計要受到多方面因素的制約，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，其一二級分離後，一級火箭的殼體和發動機按規定要落在雲南省特定的區域內。”李聃説，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。所以設計軌道時，必須把一級火箭的落區限定在原有特定區域。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。他説，現階段我國測控網主要包括三個部分：一是我國陸上建設的測控站，二是通過合作可以使用的外國陸上測控站，再就是我國目前在役使用的幾艘測控船。這些不同的設施構成了我國火箭發射時可利用的測控網。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。所以對於火箭來説，必須把衛星準確送入軌道的入口處。此外，星箭分離時，衛星還需具有符合要求的初速度，太陽翼必須處於太陽直射光線下，以便能獲得有足夠的能源。“如果説以往發射的軌道是在打固定靶，那麼嫦娥二號打的是移動靶。”李聃表示，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，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。“這是嫦娥二號發射和嫦娥一號相比最大的不同，這是我們運載火箭系統承擔的最關鍵的一項技術攻關項目。”

　　嫦娥二號火箭系統總指揮岑拯表示，相比于嫦娥一號，嫦娥二號增加了技術試驗分系統，體重增加了130多公斤。同時，地月轉移軌道需要推力更大的火箭把衛星奔月的初速度提高到近11公里∕秒，有著兩個助推器的長三丙火箭，發射能力介於長征三號甲和長征三號乙火箭之間，正好可以滿足軌道和推力的要求。同時由於其具有技術性能先進、可靠性高、適應能力強等特點，從而成為執行嫦娥二號任務的首選火箭。

　　發射場系統：“亞洲第一塔”獲30余項技術改造

　　“由於嫦娥二號要直飛月球，推力要大。故與嫦娥一號選擇‘一塔制’的3號發射工位不同，嫦娥二號將選擇‘兩塔制’的2號工位進行發射。”發射場系統總設計師周鳳廣介紹説。

　　所謂“兩塔制”，包括臍帶塔固定和勤務塔移動。周鳳廣介紹説，看似簡單的位置變化，帶來的卻是一連串新的技術挑戰。為確保已使用20多年的2號工位勝任此次發射任務，工作人員對其開展了發射塔大封閉空調系統、常規加注系統等30余項技術改造，僅完成的設計施工圖紙就達600多張。

　　嫦娥二號發射窗口的變化，也對發射場系統設備的可靠性提出了更高要求。周鳳廣説，與嫦娥一號多次變軌奔月不同，嫦娥二號將直接飛向月球，因而發射窗口的限制更多、可選擇時段更少。“嫦娥一號發射窗口設計週期是1個月，嫦娥二號窗口週期則是半年。如錯過今年10月的發射時機，就只能等到明年4月了。”

　　為確保萬無一失，工作人員嚴把測試數據關、質量歸零關、數據復核關和階段評審關，系統梳理完善了需重點關注的關鍵設備和應急預案，力爭確保每一項設備都能“健康上崗”。

　　“我們中心是目前國內唯一能發射以液氧液氫做推進劑的低溫發動機的發射中心。”西昌衛星發射中心黨委書記孫保衛説。

　　液氫是長三丙火箭第三級的燃燒劑，對於推送嫦娥二號衛星準確入軌非常關鍵。

　　低溫推進劑需在火箭發射前8小時開始加注。首先是加注液氧，在發射前5小時開始加注液氫，大約到發射前3小時可以加注到預定位置。由於低溫推進劑很容易蒸發，因而此後還需不斷補充。

　　發射前3小時，工作人員將為火箭做全面檢查。發射前80分鐘，對整個火箭系統進行加電測試，一直到發射前半小時。當所有的系統都檢查過後，發動機將進行預冷排放，並提前冷卻三級發動機。此後，工作人員將通過信號遙測監視各系統工作狀態，到發射前1分鐘，火箭已經做好全部準備，斷開同地面所有的連接，點火即可起飛。

　　孫保衛介紹説，西昌衛星發射中心現擁有2座現代化的發射工位。3號發射工位於上世紀80年代初建成投入使用，先後創造了首次發射試驗通信衛星、實用通信衛星和國際商業衛星三個第一，被譽為“功勳塔”，2006年進行重建、2007年10月承擔了嫦娥一號發射任務；2號發射工位於1990年建成，可以全天候對火箭、衛星進行測試，被譽為“亞洲第一塔”。

　　為具備執行高密度任務的能力，近年來該中心新建了衛星測試廠房、測發遠控樓和西昌指控大廳，大規模改造2號、3號發射工位，建成覆蓋五大系統的C3I系統，試驗任務IP專網網速達到萬兆並覆蓋所有參試崗位，中心信息化建設向自動化智慧化發展。目前，該中心可同時對3顆衛星、2枚火箭實施並行測試，年發射能力達到10至12發。

　　測控系統：將牽引“嫦娥”和“月宮”親密接觸

　　嫦娥二號測控系統總設計師錢衛平介紹，由於月球和地球的時空關係，嫦娥二號的發射窗口非常受限，只有10月1日、2日、3日，每天只有30多分鐘的窗口，其精度要求非常高。

　　嫦娥二號進入環月軌道後，將擇機進入100公里15公里的橢圓軌道。這對測控技術是一次嚴峻的考驗。

　　錢衛平説，月球上的高山和溝谷與地球大體相似，最高的山達到萬米以上，要在距月球15公里的高度飛行，對測控精度要求非常高。同時，當衛星飛至月球背面時，地面無法監視其狀態，若控制不好，便存在撞月的危險。此外，月球上的質量分佈並不均勻，有些地方引力小，有些地方引力大，這也對控制技術提出了很高要求。

　　他表示，確保嫦娥二號任務萬無一失，研究人員預設了火箭入軌異常、變軌未能實施或滯後實施、發動機故障等共106種預案故障模式，並制定了153種故障處理對策。

　　試驗X頻段測控技術，這是嫦娥二號的重要使命之一。

　　探月工程總設計師吳偉仁介紹説，我國現在的衛星大多數在地球周圍轉，最高軌道是36000公里，也就是地球的同步軌道，這種軌道用S頻段測控就可以了。如果進入深空，包括月球探測，以及將來的火星探測、金星探測，就要用X頻段。他表示，本次任務是第一次使用X頻段，其傳輸速率更高，測定的精度也更高。

　　對於兩種頻段的區別，錢衛平作了矢量化的描述。他説，過去所用的S頻段的頻率在2G左右，X頻段則達到8G。X頻段測控系統在測控靈敏度、測角技術、測距技術上都有新的改進和提升，可以在很大程度上提升測控的精準度。

　　衛星升空約1個月，將傳回比過去更加清晰的月球圖片。錢衛平説：“如果把嫦娥一號拍出的照片比作是看黑白電視，嫦娥二號拍出的照片就相當於看高清頻道，甚至更好。”而要獲得高清圖片，也對測控技術提出了更高要求，必須進行長時間行頻或地速數據注入，並提供28小時和52小時軌道預報。

　　地面應用系統：將比嫦娥一號任務面臨更多挑戰

　　“嫦娥二號任務和嫦娥一號運行的模式一樣。但也存在許多新的變化。”地面應用系統總設計師李春來説。

　　有效載荷的變化是嫦娥二號的重點之一。他介紹，嫦娥一號有效載荷是8種，嫦娥二號則為7種。雖然嫦娥一號原有的干涉成像光譜儀被取消，但嫦娥二號的激光高度計、X射線譜儀等都得到了適應性改造，實際功能更精細更先進。此外，嫦娥一號是到月球近月軌道才打開有效載荷，而嫦娥二號有效載荷則是一邊奔月一邊展開，以便更好地探測地月空間環境。

　　隨著有效載荷的變化，嫦娥二號數據接收任務也將發生重大改變。在嫦娥一號任務中，衛星在地月轉移軌道，地面應用系統沒有數據接收任務。而嫦娥二號衛星發射的第二天起，就開始有數據接收任務。

　　同時，由於嫦娥二號搭載的相機分辨率從此前的120米一下提高到7米，這給數據傳輸帶來了很大壓力。李春來表示，研究人員為此對地面數據接收系統進行了針對性改造，提高數據傳輸效率。數據接收碼速率將從3兆/秒提高至6兆/秒。在任務過程中，還將試驗更高的數據接收速度。

　　“大家開玩笑説，地面系統是‘嫦娥’最長的長工。”地面應用系統副總設計師劉建忠笑言。

　　他介紹説，地面應用系統的任務包括組織制定科學目標，作為工程總體方案的輸入條件；負責衛星有效載荷在軌運行管理；制定衛星的探測計劃；接收衛星傳回的科學數據；完成探測數據的存儲、歸檔、備份和依權發佈；進行科學數據的處理、解譯、應用和研究；進行月球探測的科學普及和宣傳。這些任務從工程實施前就開始進行，一直到工程結束後，還將持續很長時間。

　　劉建忠將整個數據處理過程形容為“閉環”。他説，首先是利用各種探測儀器和有效載荷來獲取月表的信息，通過光電系統和記錄器，把它們存到星上的設備裏，這是數據信息獲取的過程。數據獲取後，衛星通過X波段的發射機向地面傳輸，由地面的兩個接收天線進行放大，然後進行數據處理和記錄。處理後得到裸數據，即測量值，就是真實的物理量。這時還要進行定位，了解這個數據在月面的什麼位置上。有了定位信息和物理量以後，就可以進行月面上的科學反演。“整個過程實際上是信息獲取，星上處理、傳輸和數據接收預處理，最後到科學反演的一個閉環。最後反映的就是我們對月面的認識。”（本報西昌9月30日電）