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麦烧历险记

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日志

 
 

No.196 探月“第二幕”开启  

2009-03-16 17:08:51|  分类: discover |  标签: |举报 |字号 订阅

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       No.196 探月“第二幕”开启 - 麦烧 - 麦烧历险记

本文见《财经》杂志 2009年第6期 出版日期2009年03月16日,记者徐超 

       在离开西昌卫星发射中心494天、环绕月球飞行482天之后,中国首颗探月卫星“嫦娥一号”走到了终点。

  2009年3月1日16时13分10秒,它以准确撞击月球上预定区域的方式,完成了最后的告别。遗憾的是,月球表面没有空气,撞击的声音不可能传递到外界,我们只能想象着并不存在的那声脆响。

  自2007年10月24日“嫦娥一号”进入太空开始,这颗卫星的每一个动作的调整、每一次数据的获得,都吸引着中国乃至全世界亿万人的目光。

  据《财经》记者了解,明后年,中国探月二期工程的“先导星”——“嫦娥二号”,以及中国首个试验性质的空间站“天宫一号”都将完成发射;加上还要发射升空与“天宫一号”完成对接的无人飞船“神舟八号”,以及载人飞船“神舟九号”,意味着中国在月球探测和载人航天领域,都将正式挺进到“第二幕”的阶段。

最好的“第一次”

  在“嫦娥一号”撞击月球表面的一瞬,卫星总设计师兼总指挥、中国科学院院士叶培建终于松了一口气。虽然该卫星是在“东方红三号”卫星平台的基础上改造完成的,无论是发射还是测控系统,从技术上而言也都已成熟,但这毕竟是中国人向着月球、向着深空的初航。

  “我们想到了最糟糕的情况,实现了最好的结果。”他对《财经》记者坦言。

  与中国之前发射的绕地球轨道飞行的航天器相比,此次“嫦娥一号”在不少关键技术上都实现了突破,比如三轴稳定技术、热控技术、飞行轨道设计等。挑战更是无处不在,比如卫星能否平安度过月食期,就一度让人十分担心。因为处于阴影中,不仅太阳能电池无法充电,而且周围温度也会急剧下降。幸运的是,虽然为调整准备了很多预案,但只用“第一方案”,就顺利完成了任务。

  技术目标的实现,为科学目标的完成奠定了良好基础。中国绕月探测工程月球应用科学首席科学家、中国科学院院士欧阳自远在接受《财经》记者采访时表示,“‘嫦娥一号’圆满完成了科学目标的要求。”

  “嫦娥一号”卫星携带的探测仪器,是为四个科学目标设计的。这些目标分别为:获取月球表面的三维影像;对月球表面有开发利用和研究价值的14种元素的含量与分布进行探测;探测月壤特性;探测4万至40万公里之间的地月空间环境。其中,在全世界的范围内,探测月壤也是第一次尝试。

  欧阳自远解释说,之所以把突破目标锁定在月壤上,一个重要的原因,是月球土壤拥有丰富的氦3资源。一旦人类可控核聚变研究获得成功的话,10吨氦3产生的能量就可满足中国目前一年的能源所需。此外,通过测量月球土壤的厚度,还可以帮助人类认识月球的过去。

  欧阳自远强调,这次“嫦娥一号”不仅仅完成了科学目标,而且实际上在很多方面都超过了预期。

  在最初的设计中,获得月球零度到南北纬70度之间的全月面图,是此次“嫦娥一号”卫星的第一条任务。之所以未对南北极地区寄予太大希望,是因为CCD(电荷耦合成像)立体相机对于这些地区的拍摄十分困难。

  “南北极本身就比较黑,加上太阳光是斜的,相机可能拍不到什么。”欧阳自远解释说。但是,在对曝光时间进行调整后发现,月球两极地区的拍摄效果甚至比低纬度还要清楚。因此,“嫦娥一号”所获得的月球三维影像图,也是有史以来最为完整和清晰的。

  除了CCD立体相机,“嫦娥一号”所携带的激光高度计也交出了一份令人满意的“答卷”。经过计算,这种仪器总共获得了900多万个点的高度;其测量密度,不仅远远超过美国在2005年获得的27万个点,也超过了日本“月亮女神号”(又称“辉夜姬号”)所获得的677万个点。与CCD相机所获得的立体影像结合起来,呈现在我们面前的是一幅更为精细的月球全球三维影像图。

  当然,或许只有在对“嫦娥一号”所获得的1.4TB的原始数据,以及多达3.8TB的生成数据进行充分处理和分析之后,才能更好地评估真正的科学所得。目前,中国有69所大学以及近二三十家研究所,都已经获准无偿使用这些数据。

  欧阳自远对《财经》记者强调,这些数据在中国都是完全开放的,“只要你有本事用,就拿去用,最重要的是我们要做出第一流的科学成果来。”

  这些超额成果,或许部分要归因于“嫦娥一号”卫星的绕月飞行时间延长到了482天,远多于原计划的一年。叶培建对《财经》记者透露,在这多出来的117天里,不仅进一步获取了科学数据,还做了有关轨道、测控、重力场、热控等方面的试验。

  以轨道控制为例,在这期间,“嫦娥一号”不仅完成了从200公里圆轨道到100公里圆轨道的转移,还完成了从100公里圆轨道到近月点为15公里的椭圆轨道的变轨试验。虽然椭圆轨道仅保持了几十个小时,就恢复到了圆轨道状态,但仍然为下一步探月计划做了很好的铺垫。因为要使得飞行器顺利在月球上着陆,就必须首先进入到这条椭圆轨道上来。

目标:着陆月球

  一个问题是,既然“嫦娥一号”技术上实现得如此完美,可以节约大量燃料从而延长寿命,为何不让其继续运行下去?这不是没有先例,日本的“月亮女神号”绕月探测卫星是在2007年9月发射的,比“嫦娥一号”还早一个多月;而这个设计工作寿命仅十个月的探测器,至今仍在工作中。

  欧阳自远解释说,除了后期的变轨试验对燃料的消耗之外,鉴于一期科学目标已经圆满完成,他们也希望通过“嫦娥一号”主动撞击月球,来获得更多的关于月球表面的信息。因为在重力作用下,“嫦娥一号”最终撞上月球是必然的归宿。一旦到了因为失去动力而被动撞击的阶段,不仅容易产生更多的空间碎片,也很难预测到底会撞击在什么地方,更不用说获得相关数据了。

  “嫦娥一号”卫星总设计师兼总指挥、中国科学院院士叶培建告诉《财经》记者,作为探月二期工程的先导星,“嫦娥二号”卫星将于2011年前发射;而第一颗真正在月球上软着陆的探测卫星——“嫦娥三号”,也将于2013年之前完成发射。

  所谓“嫦娥二号”卫星,实际上是由“嫦娥一号”卫星的备份星改造而成。因此,它可以略过方案阶段以及初样阶段,直接进入正样阶段,从而可以使整个发射周期大为缩短。“嫦娥二号”卫星并不直接在月球上着陆,首要使命是为下一步的发射奠定科学基础。

  由于“嫦娥二号”卫星将在距离月球100公里的圆轨道上运行,月球表面的反射要比200公里高度强烈得多,整个卫星如何来控制和调整内外温度,需要重新设计。叶培建对《财经》记者举例说,相机对温度变化的要求是不能超过几度,激光高度计对温度变化的要求则更为苛刻,某些部位不能超过1度,所以,“嫦娥二号”卫星的热控系统将有较大改进。

  除了热控系统,卫星管理系统将更为先进,测控、接收系统也将有很大提高,以适应未来月球车的软着陆。此外,CCD立体相机的分辨率也将从原来的120米提高到10米。借助其帮助,科学家就可以为“嫦娥三号”选择较好的着陆点。

  如果将“嫦娥二号”卫星视为针对“嫦娥一号”的改良,“嫦娥三号”就是一次彻底的突破。因为它将承担起首次在月球上软着陆,并且实现地外天体表面无人巡视的“零的突破”。“嫦娥三号”卫星还要检验月夜生存能力,并开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分等探测活动。

  “嫦娥三号”将首先进入近月点为15公里的椭圆轨道,并在近月点开始下落历程。当距离月球100米时,“嫦娥三号”卫星将悬停在空中,在水平移动到预定着陆点之后继续下降;此时,发动机也将启动产生反冲力,以减缓下降速度。

  除了发动机反冲,“嫦娥三号”着陆探测器还拥有三个腿状机构,以便进一步缓冲,实现真正的软着陆。在软着陆后,携带着12台仪器的着陆器将可以工作一年的时间;而带有七台仪器的月球车,其设计寿命则为三个月。

  叶培建对《财经》记者表示,月球车将在距离着陆器不超过五公里的范围内活动,这样,月球车和着陆器之间才能互相通信。同时,月球车和着陆器也都可以向地面传递信息。

  叶培建澄清说,虽然外界对于月球车多有猜测,但到目前为止,月球车还处在方案样机阶段,尚未拿出最后的“成品”初样。继在沙漠之中进行了模拟试验后,他们还特地从长白山火山口,买来与月壤非常类似的火山灰,在北京人工建造了一个既有凹坑又有凸起的“月球场”,来做进一步的验证。
铸“箭”以待

  与“嫦娥一号”一样,“嫦娥三号”也将拥有一颗备份星。如果“嫦娥三号”能够顺利实现探月工程二期目标,其备份星也同样有可能被改造成三期工程的先导星。

  按照已经制定的探月规划,最迟在2020年前,中国将完成三期目标,即实现在月球无人采样并返回。之前,只有美国和前苏联,曾经成功在月球采样并返回地球。

  不过,三期工程的具体时间表,或许不仅取决于“嫦娥三号”的表现是否完美,也同样取决于中国在大推力火箭方面的进展。

  “嫦娥一号”卫星的发射重量,大概是2吨。到了二期工程“嫦娥三号”,虽然着陆器和月球车使得体积大为增加,但发射重量也只在3.5吨左右。中国目前已经投入使用的“长征三号B”火箭,完全有能力把“嫦娥三号”送入月球轨道。

  虽然尚未公布具体的数据,但叶培建在接受《财经》记者采访时表示,三期工程显然需要更大推力的运载火箭。因为要实现采样返回的任务,小型采样返回舱、月表钻岩机以及机械臂等都是必需的设备。鉴于中国现在服役的运载火箭的承载能力都十分有限,或许只有正在研制中的“长征五号”,才能承担这一任务。

  为满足中国未来探测月球乃至火星等深空探索需要,早在1986年,大推力运载火箭的论证就已启动。2007年5月10日,在国务院审议通过的《航天发展“十一五”规划》中,正式把大推力火箭列为国家确定的16个重大科技专项之一。

  中国航天科技集团公司一院党委书记兼副院长梁小虹在接受《财经》记者采访时表示,目前正在研制“长征五号”系列火箭,可以搭载两种专门为其设计的发动机,分别是推力为120吨的YF-100液氧煤油发动机和推力为50吨的YF-77氢氧发动机。其近地轨道运载能力,将从目前的约10吨提高到25吨;地球同步轨道的运载能力,也将从目前的5.2吨大幅提高至14吨。

  从技术指标来说,“长征五号”已经达到了美国波音公司的“德尔塔四”重型火箭(Delta 4 Heavy)或者欧洲的“阿丽亚娜五号”(Ariane 5)同等水平。即使与俄罗斯目前正在研制的“安加拉”(Angara)运载火箭相比,无论是近地轨道还是同步轨道的运载能力都毫不逊色。

  梁小虹透露,“长征五号”预计于2014年在海南文昌新建的航天发射中心实现首飞。

  而从明年四季度开始到后年间,中国也将陆续发射“天宫一号”、“神舟八号”以及“神舟九号”。作为试验性质的空间站,“天宫一号”的重量在8吨左右,既可满足与不载人、载人飞船对接的技术验证需要,也可满足短期有人值守、长期无人照料的要求。

  但要建立长期的永久空间站,满足更为复杂的空间技术开发和试验任务,其重量就要庞大得多。届时,或许利用“长征五号”的庞大推力,将重约20吨的模块送进太空再行组装,是最为可行的途径。

  除了无人探月,美国已经决定,要在2018年重返月球。俄罗斯和印度等国家也制定了载人登月计划,目标都锁定在2020年之后。目前,美国正在为重返月球计划开发新的运载火箭,希望将近地轨道运载能力提高到50吨到80吨级。

  对于中国而言,要实现将来载人登月并且进而建立永久性基地的目标,需要比“长征五号”走得更远才行。因此,中国航天科技集团公司一院党委书记兼副院长梁小虹在接受《财经》记者采访时呼吁,中国应尽快明确登月方案和时间表,这样才能尽快启动更重型、巨型火箭的预先研制进程;因为对于一个国家而言,航天规划不应该只关注十年,还应该兼及更为远期的目标。

  “只有这些具体需求确定了,我们才能尽快明确中国再下一代新型运载火箭的研究方向。”他强调。■

原文和评论地址:http://magazine.caijing.com.cn/templates/inc/chargecontent2.jsp?id=110121073&time=2009-03-15&cl=106&page=4

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