超遠距離通訊如何保證
從地球要飛到月球，類(lèi)似星際探測。從常識來(lái)說(shuō)，距離越長(cháng)，傳回的信號就比較弱�！白铍y的一點(diǎn)就是我們如何跟蹤衛星，得到星上的一些狀態(tài)，如何去控制衛星�！辨隙鹨惶栃l星系統副總設計師饒偉說(shuō)，這就需要測控系統確保跟蹤完整，測量準確和指令無(wú)誤。
“之前我們的衛星最高離地球六七萬(wàn)公里，現在月球離我們有38萬(wàn)—40萬(wàn)公里。這么遠的距離，信號能量不足。如果增加衛星搭載的測控設備，又受到星上重量和功耗的限制。這就要求衛星必須提高自身信號的發(fā)射功率，同時(shí)地面要能夠低靈敏度接收�！睂O澤州說(shuō)。
饒偉介紹說(shuō)，為了保證38萬(wàn)—40萬(wàn)公里遠的有效測控，采取了幾方面的創(chuàng )新措施，選取多種工作模式、多種措施集中在同一顆衛星來(lái)保證測控信道余量。
“地面測控系統方面，由于我國尚未建成深空測控網(wǎng)，測控系統首次采用了現有的用于載人航天的S頻段航天測控系統(USB)和中國科學(xué)院的甚長(cháng)基線(xiàn)干涉天文測量系統(VLBI)的綜合測量技術(shù)，解決繞月探測工程‘測控距離遠、測量精度高’的技術(shù)難題�！别垈フf(shuō)。
為提高嫦娥一號衛星測控覆蓋率，測控系統與歐洲空間局和智利圣地亞哥站開(kāi)展國際聯(lián)網(wǎng)合作，使測控覆蓋率達到98%以上。
為確保準確接收科學(xué)數據，除為USB系統新建兩個(gè)直徑18米的測控天線(xiàn)，還研制了我國口徑最大的兩面數據接收天線(xiàn)，也就是北京密云新建的直徑50米天線(xiàn)和昆明新建的40米天線(xiàn)，前者天線(xiàn)有680多噸重，鍋蓋足有6個(gè)籃球場(chǎng)大。
三十八萬(wàn)公里探月路
衛星帶1.2噸推進(jìn)劑;在空間多次變軌調整； 能否沿預定軌道飛行是關(guān)鍵
“月球離地球的平均距離為38萬(wàn)公里，遠遠超過(guò)我們幾十年近地空間的活動(dòng)范圍。除了距離遠以外，還從二體運動(dòng)變成了三體運動(dòng)�！崩@月探測工程總設計師孫家棟院士認為，整個(gè)“嫦娥”奔月過(guò)程中，能否順利沿著(zhù)預定軌道飛行，是重中之重。衛星起飛以后，在近地空間主要受地球引力的影響，當它脫離地球一定距離以后，地球、月球都對其產(chǎn)生影響，越接近月球空間，月球的影響就越大；在衛星長(cháng)距離飛行同時(shí)，月球也要運動(dòng)很長(cháng)一個(gè)距離，種種因素都帶來(lái)了軌道設計、測量和控制的難題。
“這是我國航天器第一次飛到月球的軌道上，因此這個(gè)軌道與常規的地球軌道設計有所不同，要考慮到月球引力場(chǎng)等新的因素，并且還要設計好飛往月球和被月球捕獲的交匯過(guò)程�！辨隙鹨惶栃l星系統副總設計師孫澤州介紹說(shuō)，軌道難點(diǎn)主要體現在變軌方面。
“嫦娥一號”送入到地球超同步衛星軌道后，在繞地、地月飛行過(guò)程中會(huì )有多次變軌�！爸圆扇《啻巫冘�，一方面是能通過(guò)多次變軌在時(shí)間上騰出精確調整的余地；另一方面也可以節省燃料�！睂O澤州說(shuō)。
“每一次變軌都用到推進(jìn)劑。這次推進(jìn)劑一共帶了1.2噸，還要用于圍繞月球旋轉，這樣火箭推進(jìn)劑的余量就很緊張。軌道窗口越窄，走得就越痛快，很寬的話(huà)要花費很多的推進(jìn)劑。由于推進(jìn)劑有限，因此軌道的每個(gè)環(huán)節都要設計好，這也是我們對發(fā)射日、發(fā)射時(shí)、軌道運行要求都非常嚴的一個(gè)主要原因�！崩@月探測工程總指揮欒恩杰說(shuō)。
繞地球飛行過(guò)程中，對“嫦娥一號”主要采用了調相軌道的設計思想，就是在衛星繞地球轉動(dòng)過(guò)程中等待月球飛過(guò)來(lái)，再進(jìn)入地月轉移軌道。調相軌道可以使衛星逐步獲得速度增量奔向月球，減少在大的速度增量變化中引起重力損耗等影響�！斑x擇什么樣的軌道，是調相軌道還是直接送入地月轉移軌道，經(jīng)過(guò)比較，最終確定了現在的方案�！睂O澤州說(shuō)。
“軌道的設計過(guò)程有一些特點(diǎn)�！睂O澤州說(shuō)，要把地月轉移軌道和調相軌道分段設計，再進(jìn)行拼接，最終要求是到達環(huán)月軌道。然后再倒推什么時(shí)候從地球進(jìn)入地月轉移軌道，以及星箭分離等參數。這種拼接的思想是第一次嘗試做�？茖W(xué)家們對軌道做了大量的反復演練計算。
承受300攝氏度溫差，將遭遇兩次月食
未知世界如何生存
初次奔月的“嫦娥”還會(huì )遭遇到“熱問(wèn)題”，需經(jīng)歷地球、奔月、月球及月食等多種熱環(huán)境。
“以前的衛星都是對地球進(jìn)行探測，對地球的熱環(huán)境經(jīng)歷得比較多，我們比較熟悉�！别垈フf(shuō)，但月球本身的熱環(huán)境我們并不了解。而外部的熱環(huán)境會(huì )影響到星上的熱環(huán)境，同時(shí)嫦娥一號衛星本身設備的工作模式比較復雜，星上一會(huì )兒熱一會(huì )兒冷，使得熱控問(wèn)題很突出。
“嫦娥一號衛星兩個(gè)小時(shí)左右繞月球轉一圈，一小時(shí)有太陽(yáng)照著(zhù)，一小時(shí)被月亮擋住太陽(yáng)。在太陽(yáng)照著(zhù)月亮的地方，溫度有110攝氏度到130攝氏度，溫度太高；暗的地方，溫度一下掉到零下130攝氏度至零下180攝氏度，溫差可以達到300攝氏度。但所有的儀器、工作狀態(tài)都要適應這種變化�！睔W陽(yáng)自遠說(shuō)。
在一年的工作壽命期內，“嫦娥一號”還不可避免的要經(jīng)歷兩次月食，每次月食的有效陰影時(shí)間均在3小時(shí)左右。這對星上提供能量的蓄電池組的低溫放電能力、溫度維持能力以及各設備的低溫耐受能力提出了更高要求。為確保能安全度過(guò)兩次月食，衛星針對月食工況進(jìn)行了充分試驗。
“目前月表環(huán)境的輸入條件，我們認為已經(jīng)突破了。對于星上工作模式復雜的情況，研制過(guò)程中也安排了幾次大型實(shí)驗，都是很長(cháng)周期的，模擬月表環(huán)境，模擬在軌所有的可能，來(lái)驗證星上溫度能不能控制住。實(shí)驗結果都滿(mǎn)足要求�！别垈フf(shuō)。
無(wú)人參與
星際旅行會(huì )否迷航
同地球衛星相比，嫦娥一號衛星面對的情況更加復雜。迄今為止，歷史上所有探月飛行的成功率約為48%。
進(jìn)入環(huán)月軌道前，包括奔月飛行過(guò)程在內，“嫦娥一號”整個(gè)的變軌控制就靠制導導航與控制系統。在環(huán)月以后，衛星需要保持載荷對月觀(guān)測，完成科學(xué)任務(wù)，同時(shí)驅動(dòng)太陽(yáng)翼展開(kāi)并對日定向來(lái)獲得能源，控制定向天線(xiàn)對地定向，保證科學(xué)數據能可靠傳輸到地面上來(lái)。這些定向也須依靠制導導航與控制系統。 “不管是奔月還是環(huán)月，對制導導航控制系統都提出了很多新的要求，必須去解決這些問(wèn)題�！毙l星系統總設計師葉培建說(shuō)。
“地球的衛星只要兩個(gè)軸就夠了，所有的儀器對準地球，太陽(yáng)能帆板對準太陽(yáng)，兩個(gè)對準了就可以干活。月球探測不行，必須所有的儀器對準月亮，通訊天線(xiàn)要時(shí)刻對準地球，帆板要對準太陽(yáng)，也就是所謂的三體定向�！崩@月探測工程月球應用科學(xué)首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠說(shuō)，難點(diǎn)在于太陽(yáng)、地球、月亮都在轉動(dòng)，衛星也在動(dòng)，這幾個(gè)角度沒(méi)有時(shí)刻對準，衛星根本就無(wú)法工作。
為此，“嫦娥一號”的制導、導航控制包含了兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。一是研制了一臺紫外月球敏感器，在繞月階段能夠適用，也對將來(lái)的深空探測有用。
“地球因為有均勻的紅外輻射，能用紅外地平儀直接獲得衛星對地球的姿態(tài)，但月球沒(méi)有均勻的紅外輻射，就不能用常規的紅外地球敏感器來(lái)測量�！辨隙鹨惶栃l星總設計師顧問(wèn)李鐵壽說(shuō)。
“另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是，為了傳輸科學(xué)探測信息，我們需要一個(gè)不同于以往衛星的數據傳輸天線(xiàn)�！� 李鐵壽說(shuō)，以往衛星的姿態(tài)相對于地球是不動(dòng)的，現在需要有一個(gè)可以轉動(dòng)的天線(xiàn)，來(lái)使天線(xiàn)指向始終對地�！斑@是一個(gè)新的技術(shù)，在過(guò)去的衛星上還沒(méi)有用過(guò)�！� (記者 余建斌)
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