嫦娥二号任务五大系统技术解读

zj2635

本报记者 付毅飞 陈瑜
4 o* _1 p" ^+ }

) ^* I. U% l) I8 e1 q: X# e# k　　嫦娥二号卫星发射已进入倒计时，图为搭载嫦娥二号的长征三号丙运载火箭。国新  

　　嫦娥二号任务即将实施。近日，卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大系统的专家接受媒体采访，对五大系统的关键技术和最新技术进行了解读。

2 [& ?. x. I% x6 r2 S7 R　　卫星系统：验证六项新技术，承担四大科学探测目标

( z& f2 u/ Q( e% n　　“嫦娥二号是以嫦娥一号的备份星为基础进行研制的，与‘姐姐’相比，‘妹妹’长了很多新本事。它的主要任务是为探月工程二期进行前期工程验证和探测，是二期的‘探路者’。”探月工程副总设计师、中国航天科技集团公司科技委副主任于登云介绍说。
' T+ W& H/ [) ~3 K* S3 Y. S
$ M& i9 g) ^* c: ^# {　　嫦娥二号卫星系统总设计师黄江川介绍，嫦娥二号的主要任务是为探月工程二期进行前期工程验证，包括配合运载火箭验证地月转移轨道直接发射技术；验证距月面100公里近月制动的月球轨道捕获技术；验证100公里×15公里轨道机动与飞行技术；对二期工程的备选着陆区进行高分辨率成像试验；搭载轻小型化X频段深空应答机，配合我国新建的X频段地面测控站，试验X频段测控技术；试验遥测信道低密度奇偶校验码（LDPC）编码技术，月地高速数据传输技术及降落相机技术。

: Z3 j6 y0 O2 o　　同时，该卫星还承担了4项科学探测使命：一是获取更高精度月球表面三维影像，分辨率由嫦娥一号卫星的120米提高至优于10米；二是探测月球物质成分；三是探测月壤特性；四是探测地月与近月空间环境。

　　在嫦娥一号卫星发射后不到3年时间，嫦娥二号就顺利升空。虽然其主要设备继承了嫦娥一号，但它在我国卫星型号快速研制方面积累了重要的经验。嫦娥二号卫星系统总指挥张廷新介绍，该卫星具有四方面特点：

　　一是产品状态多。嫦娥二号卫星上共有214台硬件设备，它们有着不同的状态。其中，继承了嫦娥一号的产品大约有85%，做过适应性修改的产品大约占10%，新研制的产品大约占5%。星上产品的不同状态带来的最大难题是各类型产品的研制进程不一样，往往存在正样产品和初样产品一起测试的情况，大大增加了风险。
; A- H5 n- P' j
　　二是试验验证难。嫦娥二号上有很多新技术是原来没有使用或者遇到过的，比如卫星上使用的490N发动机，此前它在卫星上的工作时间很短，这次需要连续工作半年，对发动机连续工作的可靠性提出了高要求。
1 t$ L4 y; E% i! a0 i: c4 X" q, L
　　三是产品无备份。嫦娥二号本来是嫦娥一号的备份星，几乎所有的产品都没有备份，当星上产品出现问题时，并没有备份产品可以马上使用，增加了研制难度。

  G: j* @5 ?9 J# r9 p6 [. Q& ~; o　　四是研制队伍新。嫦娥二号研制时，我国同时在进行嫦娥三号探测器的研制工作，嫦娥一号的主要科研人员都在进行嫦娥三号的研制攻关，这对嫦娥二号的人员队伍组织构成了一个很大的挑战。在嫦娥二号卫星10个分系统的主任设计师中，只有一个是嫦娥一号研制队伍中留下来的，其他的都是原来的副主任设计师，或者原来研制队伍中逐步走上重要技术岗位的年轻技术人员。在研制过程中，既要对年轻的队伍进行培养，还要严格控制质量，真正提高研制队伍的总体水平和能力。
% I8 g& l" g/ z& h% N
# N: q, R" I" {, y: K4 p( c　　火箭系统：首次地月转移轨道发射将开创我国深空探测新里程
% m, U6 S0 O! z
2 Q; O, _. W3 w2 o　　同样的距离，不一样的路。相比嫦娥一号历时13天的奔月之旅，嫦娥二号将要走的则是一条捷径，只用5天就可重访“月宫”，这当中最关键的技术之一就是地月转移轨道发射技术。
* K! d  f) }2 W& ]+ W
　　中国航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院副院长郝照平介绍说，以往我国的火箭运行轨道均为近地轨道、太阳同步轨道以及地球同步转移轨道。包括用长三甲火箭发射的嫦娥一号，其轨道实际上是一个超地球同步转移轨道，星箭分离以后嫦娥一号绕着地球转了好几圈，然后再奔月。

　　但在本次任务中，长三丙火箭要把嫦娥二号送入近地点200公里、远地点约38万公里的地月转移轨道。这是我国首次执行这样的任务。
1 \$ A# X* [" a  m
( q6 S. H/ A2 Q  _　　长三甲火箭主任设计师李聃告诉记者，地月转移轨道的轨道设计要受到多方面因素的制约，主要包括火箭一级落区、测控覆盖范围和地月日三者之间的运动规律。
9 ?) t2 p4 ?6 i4 j2 Q: E3 m
　　“我国在西昌卫星发射中心发射的火箭，其一二级分离后，一级火箭的壳体和发动机按规定要落在云南省特定的区域内。”李聃说，在这个区域，已经形成了发射时人员撤离的惯例，对地面人员的安全容易管理。所以设计轨道时，必须把一级火箭的落区限定在原有特定区域。这使火箭在一级飞行时的轨道没有“自由发挥”的余地。
" a0 O# W6 C5 k& L( A) i
　　第二个因素是我国发射测控网的限制。他说，现阶段我国测控网主要包括三个部分：一是我国陆上建设的测控站，二是通过合作可以使用的外国陆上测控站，再就是我国目前在役使用的几艘测控船。这些不同的设施构成了我国火箭发射时可利用的测控网。火箭发射时，测控系统要对火箭进行实时测控。因此，其飞行轨道必须处于测控网覆盖的范围内，这对一种新轨道的选择形成了另一个很苛刻的限制。

: B, n- a2 A- E, _　　第三个因素来自地月日的运动规律。地月转移轨道要求星箭分离时，卫星必须处在奔月轨道的入口处，否则只有通过卫星机动的方式进行轨道调整，违背了节省卫星燃料的最基本要求。所以对于火箭来说，必须把卫星准确送入轨道的入口处。此外，星箭分离时，卫星还需具有符合要求的初速度，太阳翼必须处于太阳直射光线下，以便能获得有足够的能源。“如果说以往发射的轨道是在打固定靶，那么嫦娥二号打的是移动靶。”李聃表示，发射的时间不同，轨道的入口也不同，同时太阳直射光线的角度也会发生变化，所以必须严密考虑地月日三者之间的相互关系和运动规律。“这是嫦娥二号发射和嫦娥一号相比最大的不同，这是我们运载火箭系统承担的最关键的一项技术攻关项目。”
" `# R) y: I" J: p1 y
　　嫦娥二号火箭系统总指挥岑拯表示，相比于嫦娥一号，嫦娥二号增加了技术试验分系统，体重增加了130多公斤。同时，地月转移轨道需要推力更大的火箭把卫星奔月的初速度提高到近11公里∕秒，有着两个助推器的长三丙火箭，发射能力介于长征三号甲和长征三号乙火箭之间，正好可以满足轨道和推力的要求。同时由于其具有技术性能先进、可靠性高、适应能力强等特点，从而成为执行嫦娥二号任务的首选火箭。   
5 e7 h5 N8 T3 v- k6 q
2 e3 E+ Z5 X/ W9 o) e8 C　　发射场系统：“亚洲第一塔”获30余项技术改造
/ A. R  B. V$ _( q5 s# J0 ~2 `/ w
　　“由于嫦娥二号要直飞月球，推力要大。故与嫦娥一号选择‘一塔制’的3号发射工位不同，嫦娥二号将选择‘两塔制’的2号工位进行发射。”发射场系统总设计师周凤广介绍说。
* Y6 Y( l; M  X9 x
　　所谓“两塔制”，包括脐带塔固定和勤务塔移动。周凤广介绍说，看似简单的位置变化，带来的却是一连串新的技术挑战。为确保已使用20多年的2号工位胜任此次发射任务，工作人员对其开展了发射塔大封闭空调系统、常规加注系统等30余项技术改造，仅完成的设计施工图纸就达600多张。
, f7 N! |; |: ]; U
9 F* w, z/ t9 g9 |) m　　嫦娥二号发射窗口的变化，也对发射场系统设备的可靠性提出了更高要求。周凤广说，与嫦娥一号多次变轨奔月不同，嫦娥二号将直接飞向月球，因而发射窗口的限制更多、可选择时段更少。“嫦娥一号发射窗口设计周期是1个月，嫦娥二号窗口周期则是半年。如错过今年10月的发射时机，就只能等到明年4月了。”
8 Y6 N* `2 \' O% U4 v- F/ f
　　为确保万无一失，工作人员严把测试数据关、质量归零关、数据复核关和阶段评审关，系统梳理完善了需重点关注的关键设备和应急预案，力争确保每一项设备都能“健康上岗”。

. U6 Z0 x. S. z: v; h　　“我们中心是目前国内唯一能发射以液氧液氢做推进剂的低温发动机的发射中心。”西昌卫星发射中心党委书记孙保卫说。
1 b/ v; m- M4 Q( y9 X7 T% C1 Y
　　液氢是长三丙火箭第三级的燃烧剂，对于推送嫦娥二号卫星准确入轨非常关键。
  t8 ]) _2 ^. Q+ @% A3 M
( r3 u! r2 G1 q/ w  p& X　　低温推进剂需在火箭发射前8小时开始加注。首先是加注液氧，在发射前5小时开始加注液氢，大约到发射前3小时可以加注到预定位置。由于低温推进剂很容易蒸发，因而此后还需不断补充。

' x4 C0 b& [7 _, M$ i& j' \* q7 N　　发射前3小时，工作人员将为火箭做全面检查。发射前80分钟，对整个火箭系统进行加电测试，一直到发射前半小时。当所有的系统都检查过后，发动机将进行预冷排放，并提前冷却三级发动机。此后，工作人员将通过信号遥测监视各系统工作状态，到发射前1分钟，火箭已经做好全部准备，断开同地面所有的连接，点火即可起飞。

　　孙保卫介绍说，西昌卫星发射中心现拥有2座现代化的发射工位。3号发射工位于上世纪80年代初建成投入使用，先后创造了首次发射试验通信卫星、实用通信卫星和国际商业卫星三个第一，被誉为“功勋塔”，2006年进行重建、2007年10月承担了嫦娥一号发射任务；2号发射工位于1990年建成，可以全天候对火箭、卫星进行测试，被誉为“亚洲第一塔”。

/ K! i, W0 Z- r) `　　为具备执行高密度任务的能力，近年来该中心新建了卫星测试厂房、测发远控楼和西昌指控大厅，大规模改造2号、3号发射工位，建成覆盖五大系统的C3I系统，试验任务IP专网网速达到万兆并覆盖所有参试岗位，中心信息化建设向自动化智能化发展。目前，该中心可同时对3颗卫星、2枚火箭实施并行测试，年发射能力达到10至12发。

zj2635

　　测控系统：将牵引“嫦娥”和“月宫”亲密接触
6 X) ^( K7 ]* Q5 |! d
　　嫦娥二号测控系统总设计师钱卫平介绍，由于月球和地球的时空关系，嫦娥二号的发射窗口非常受限，只有10月1日、2日、3日，每天只有30多分钟的窗口，其精度要求非常高。
4 v# {- [2 C+ W7 s
　　嫦娥二号进入环月轨道后，将择机进入100公里×15公里的椭圆轨道。这对测控技术是一次严峻的考验。

# ]7 A' [7 u# Z8 U& p　　钱卫平说，月球上的高山和沟谷与地球大体相似，最高的山达到万米以上，要在距月球15公里的高度飞行，对测控精度要求非常高。同时，当卫星飞至月球背面时，地面无法监视其状态，若控制不好，便存在撞月的危险。此外，月球上的质量分布并不均匀，有些地方引力小，有些地方引力大，这也对控制技术提出了很高要求。

; J# F5 I7 _  \, v) Q+ [1 ~$ `　　他表示，确保嫦娥二号任务万无一失，研究人员预设了火箭入轨异常、变轨未能实施或滞后实施、发动机故障等共106种预案故障模式，并制定了153种故障处理对策。
$ _- ^  a2 ~/ ]+ J  Q9 a
　　试验X频段测控技术，这是嫦娥二号的重要使命之一。
: p. P- Y# W( J+ t0 H& V
( M  F3 |% d3 E　　探月工程总设计师吴伟仁介绍说，我国现在的卫星大多数在地球周围转，最高轨道是36000公里，也就是地球的同步轨道，这种轨道用S频段测控就可以了。如果进入深空，包括月球探测，以及将来的火星探测、金星探测，就要用X频段。他表示，本次任务是第一次使用X频段，其传输速率更高，测定的精度也更高。

* P! h& h7 S2 k& ^+ u　　对于两种频段的区别，钱卫平作了矢量化的描述。他说，过去所用的S频段的频率在2G左右，X频段则达到8G。X频段测控系统在测控灵敏度、测角技术、测距技术上都有新的改进和提升，可以在很大程度上提升测控的精准度。  

( q0 ^$ O$ g2 n( ]" f, I7 O　　卫星升空约1个月，将传回比过去更加清晰的月球图片。钱卫平说：“如果把嫦娥一号拍出的照片比作是看黑白电视，嫦娥二号拍出的照片就相当于看高清频道，甚至更好。”而要获得高清图片，也对测控技术提出了更高要求，必须进行长时间行频或地速数据注入，并提供28小时和52小时轨道预报。
/ L2 D$ ^5 M6 d; P* m4 e& J
　　地面应用系统：将比嫦娥一号任务面临更多挑战
  [+ C' h. N6 q2 S1 c1 U9 ?( I2 s
/ B1 f8 z" m5 _　　“嫦娥二号任务和嫦娥一号运行的模式一样。但也存在许多新的变化。”地面应用系统总设计师李春来说。
. ?8 C2 I. X1 v+ d( J* l2 K. k4 j
　　有效载荷的变化是嫦娥二号的重点之一。他介绍，嫦娥一号有效载荷是8种，嫦娥二号则为7种。虽然嫦娥一号原有的干涉成像光谱仪被取消，但嫦娥二号的激光高度计、X射线谱仪等都得到了适应性改造，实际功能更精细更先进。此外，嫦娥一号是到月球近月轨道才打开有效载荷，而嫦娥二号有效载荷则是一边奔月一边展开，以便更好地探测地月空间环境。

　　随着有效载荷的变化，嫦娥二号数据接收任务也将发生重大改变。在嫦娥一号任务中，卫星在地月转移轨道，地面应用系统没有数据接收任务。而嫦娥二号卫星发射的第二天起，就开始有数据接收任务。
3 F9 c2 @) J: A
0 s- f( m4 y9 B6 i　　同时，由于嫦娥二号搭载的相机分辨率从此前的120米一下提高到7米，这给数据传输带来了很大压力。李春来表示，研究人员为此对地面数据接收系统进行了针对性改造，提高数据传输效率。数据接收码速率将从3兆/秒提高至6兆/秒。在任务过程中，还将试验更高的数据接收速度。
/ O! E  l( d% G; X
　　“大家开玩笑说，地面系统是‘嫦娥’最长的长工。”地面应用系统副总设计师刘建忠笑言。
3 M8 i, t+ E' l6 w
, w% h7 i5 _" k' S　　他介绍说，地面应用系统的任务包括组织制定科学目标，作为工程总体方案的输入条件；负责卫星有效载荷在轨运行管理；制定卫星的探测计划；接收卫星传回的科学数据；完成探测数据的存储、归档、备份和依权发布；进行科学数据的处理、解译、应用和研究；进行月球探测的科学普及和宣传。这些任务从工程实施前就开始进行，一直到工程结束后，还将持续很长时间。

　　刘建忠将整个数据处理过程形容为“闭环”。他说，首先是利用各种探测仪器和有效载荷来获取月表的信息，通过光电系统和记录器，把它们存到星上的设备里，这是数据信息获取的过程。数据获取后，卫星通过X波段的发射机向地面传输，由地面的两个接收天线进行放大，然后进行数据处理和记录。处理后得到裸数据，即测量值，就是真实的物理量。这时还要进行定位，了解这个数据在月面的什么位置上。有了定位信息和物理量以后，就可以进行月面上的科学反演。“整个过程实际上是信息获取，星上处理、传输和数据接收预处理，最后到科学反演的一个闭环。最后反映的就是我们对月面的认识。”（本报西昌9月30日电）
- l; ?+ x, b$ H7 [$ @
* O# G: e' `  [2 A4 O转自：科技日报

mingliangzhu

很震撼，很先进。

mylcx_xwf

跟日本与印度比怎么样?!!!

vokboy0001

日本的优势在于构造精密！印度优势在于进口技术！