中新網(wǎng)6月22日電 中國第一顆探月衛星嫦娥1號目前正按計劃進(jìn)行研制。衛星各關(guān)鍵技術(shù)已獲得突破性進(jìn)展，初樣星的研制工作進(jìn)展順利。它將在未來(lái)兩年內用長(cháng)征3號甲運載火箭從西昌衛星發(fā)射中心發(fā)射升空。對于這次世人矚目的探月行動(dòng)，業(yè)內權威雜志《中國航天》刊載長(cháng)文，對這次浪漫新奇之旅進(jìn)行了全方位的解讀。
科學(xué)與工程目標
中國探月衛星工程有四大科學(xué)目標：
一是獲取月球表面三維立體影像，從而劃分月球表面的基本地貌和構造單元，初步編制月球地質(zhì)與構造綱要圖，為后續優(yōu)選軟著(zhù)陸區提供參考依據。目前世界上還沒(méi)有覆蓋整個(gè)月面的影像；中國如能獲取全月面三維影像，對于更好地了解月球的地質(zhì)構造和演化歷史有著(zhù)重要的意義。中國將爭取比國外已有的此類(lèi)圖像做得更完整、更精細。
二是分析月面有用元素含量和物質(zhì)類(lèi)型的分布特點(diǎn)，即對月面有用元素進(jìn)行探測，初步編制各元素的月面分布圖。美國已做了5種有用元素的全球性分布與含量，嫦娥1號將探測月面鈦和鐵等14種可能有開(kāi)發(fā)利用前景的重要元素的分布特點(diǎn)和規律。
三是探測月壤特性。中國將首次開(kāi)展月面的微波輻射探測，獲取月壤厚度的全月分布特征，研究月表年齡及演化，估算月壤中氦3的分布和資源量。目前月球上已知礦物有100多種，其中有5種連地球上都沒(méi)有。尤其是氦3。它是一種安全、高效、清潔的新型核聚變燃料，可改變人類(lèi)社會(huì )的能源結構，但在地球上十分罕見(jiàn)。每100噸氦3原料足可以解決全球一年的電力供應，而月球上的氦3儲量據估算有500萬(wàn)噸，可滿(mǎn)足人類(lèi)1萬(wàn)年以上的供電需求。每克黃金價(jià)值11美元，而每克氦3是400美元。月球潛在礦產(chǎn)資源和能源的開(kāi)發(fā)利用前景，已成為各主要航天國家組織重返月球和開(kāi)展月球探測的最主要動(dòng)力。
四是探測地月空間環(huán)境，將記錄原始太陽(yáng)風(fēng)數據，研究太陽(yáng)活動(dòng)對地月空間環(huán)境的影響。
上述前三項工作國外還未曾進(jìn)行過(guò)，第四項為中國首次在地球靜止軌道以外獲取空間環(huán)境數據。
中國探月衛星工程還有五大工程目標：一是研制和發(fā)射中國第一顆探月衛星；二是初步掌握繞月探測基本技術(shù)；三是首次開(kāi)展月球科學(xué)探測；四是初步構建月球探測航天工程系統；五是為月球探測后續工程積累經(jīng)驗。為此要突破月球探測衛星的關(guān)鍵技術(shù)；初步建立中國的深空探測工程大系統；驗證有效載荷和數據解譯等各項關(guān)鍵技術(shù)；初步建立中國深空探測技術(shù)研制體系；培養相應的人才隊伍。
工程計劃表
據透露，嫦娥1號工程于2004年9月以前完成工程總體和各系統的詳細方案設計；2005年底完成探月衛星初樣產(chǎn)品研制和相關(guān)試驗；2006年10月前完成探月衛星正樣產(chǎn)品的設計、研制、總裝、測試和各項試驗，完成運載火箭正樣投產(chǎn)任務(wù)，完成測控和發(fā)射場(chǎng)系統技術(shù)改造和調試任務(wù)，完成地面應用系統組裝和調試任務(wù)；力爭2006年12月發(fā)射升空。
嫦娥1號衛星方案具有較好的繼承性，設計的功能和技術(shù)性能指標滿(mǎn)足任務(wù)要求；衛星總體與各分系統之間、衛星與各大系統之間接口要求明確，大型試驗項目安排及試驗方案合理可行；研制技術(shù)流程完整，計劃流程合理可行；衛星進(jìn)行了可靠性和安全性設計，可靠性關(guān)鍵項目明確，測試覆蓋性分析的項目完整，因此已轉入初樣階段的研制工作。
嫦娥1號衛星按方案完成初樣試制后，將進(jìn)入初樣試驗階段。初樣產(chǎn)品將對設計、工藝和方案進(jìn)行實(shí)態(tài)驗證，進(jìn)一步完善方案，為飛行試驗產(chǎn)品研制提供全面、準確的依據，為發(fā)射星奠定技術(shù)基礎。
在工程的具體實(shí)施上，嫦娥1號工程系統由月球探測衛星、運載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測控和地面應用等五大系統組成。
日趨穩定的平臺
眾所周知，人造衛星由衛星平臺與有效載荷兩部分組成。嫦娥1號也不例外。
該探月衛星的平臺以中國已成熟的東方紅3號衛星平臺為基礎進(jìn)行研制，并充分繼承中國資源2號衛星和“中巴地球資源衛星”等的現有成熟技術(shù)和產(chǎn)品，進(jìn)行適應性改造。所謂適應性改造就是在繼承基礎上的創(chuàng )新，包括突破一批關(guān)鍵技術(shù)，例如三維定向技術(shù)，即使衛星的太陽(yáng)能電池板、探測頭和傳輸信息的天線(xiàn)分別時(shí)刻對準太陽(yáng)、月亮和地球。這樣一個(gè)三維控制系統過(guò)去是沒(méi)有的，技術(shù)難度相當高。另外，在地球、月球和衛星三者間進(jìn)行探月衛星的軌道設計和紫外月平儀的研制等也都需要開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)。
選用東方紅3號衛星平臺主要是由于它的高度可靠性。自該衛星平臺1997年5月首次投入使用后，中國已用其研制并發(fā)射了“北斗”等至少6顆衛星。該衛星平臺采用了許多較先進(jìn)的技術(shù)，如全三軸穩定、統一雙組元液體推進(jìn)、公用平臺設計、大面積密柵太陽(yáng)電池陣和高強度輕重量碳纖維多層復合材料等。不過(guò)，嫦娥1號的衛星平臺比一般人造地球衛星在軌道，測控，制導、導航與控制系統和熱控分系統等方面都有自己的獨特之處。
目前，中國航天器所到達的距地球最遠距離約為7萬(wàn)千米(2003年12月30日發(fā)射的探測1號衛星)。而要實(shí)現月球探測，須使航天器飛出地球引力場(chǎng)，進(jìn)入到38萬(wàn)千米遠的空間。由于月球以及月球與地球、太陽(yáng)的相對關(guān)系具有其固有的特點(diǎn)，因此嫦娥1號衛星與一般的地球衛星有很大不同，研制并發(fā)射月球探測衛星要解決軌道設計，制導、導航與控制(包括對月姿態(tài)確定技術(shù))，測控與數據傳輸，星上熱控和電源分系統設計等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
預計衛星總重2350千克，本體尺寸2000毫米×1720毫米×2200毫米，采用三軸穩定姿態(tài)控制，對月定向工作。衛星在軌運行壽命大于1年。
任務(wù)決定載荷
根據中國探月衛星工程的四大科學(xué)目標，嫦娥1號選用的有效載荷有6套24件，包括CCD立體相機、激光高度計、成像光譜儀、伽馬/X射線(xiàn)譜儀、微波探測儀和太陽(yáng)風(fēng)粒子探測器等。其中CCD立體相機是拍攝全月面三維影像的專(zhuān)用相機，在中國屬首次使用；成像光譜儀用于獲取月面光波圖譜；伽馬/X射線(xiàn)譜儀用于探測月球表面元素；微波探測儀除用于獲取月壤厚度信息外，還能給出月球背面的亮度溫度圖和月球兩極地面的信息。
由激光器、望遠鏡和接收電路三部分組成的激光高度計，由中科院上海技術(shù)物理研究所研制。它在探月衛星的發(fā)射階段和轉移階段都處在“睡眠狀態(tài)”。衛星進(jìn)入環(huán)月軌道后，激光高度計首先向月面發(fā)射激光束，并立刻用望遠鏡把反射回來(lái)的光束變成電信號；接著(zhù)，接收電路盒將迅速進(jìn)行精確計算，用最短時(shí)間得出該探測點(diǎn)的月球海拔高度。激光高度計完成繞月旅行，月面每個(gè)探測點(diǎn)的海拔高度就一清二楚了。這些數值一旦與CCD立體相機拍攝的平面圖像相疊加，就是一幅完整而精確的月面三維地形圖。只要激光高度計發(fā)射的探測點(diǎn)足夠密，就能獲得覆蓋整個(gè)月球的地形圖，包括人類(lèi)探月活動(dòng)從未涉及的月球兩極區域。
據探月專(zhuān)家介紹，美國、歐空局、俄羅斯和日本等以前從未在探月過(guò)程中使用過(guò)可以全天候、全天時(shí)工作和具有一定穿透能力的微波遙感技術(shù)，所以嫦娥1號上的微波探測儀是世界上首次在探月衛星上裝載微波遙感裝置，用以實(shí)現對月面更為細致深入的探測，并將對所發(fā)回的數據進(jìn)行反演和解析。不過(guò)，由于月球遠離地球，對月球進(jìn)行微波遙感探測有很大的技術(shù)難度和一定的風(fēng)險。為確保探測成功和能穩定地發(fā)回數據，現正加強對月球微波遙感的地面仿真研究，在借鑒以往經(jīng)驗的基礎上做相應的技術(shù)改進(jìn)。
嫦娥1號有效載荷共重130千克。早在2004年1月7日，所有24件儀器就完成了首輪聯(lián)合測試，結果相當成功。測試表明，探測儀器設計中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題已基本攻克，并解決了設備間的接口技術(shù)。全部探測儀器于2004年9月交付，并與衛星平臺一起進(jìn)行噪聲、振動(dòng)、輻射和真空等各種空間環(huán)境的模擬測試。
使用成熟的火箭
按照計劃，長(cháng)征3號甲被選為月球探測衛星的運載火箭，發(fā)射場(chǎng)選在西昌衛星發(fā)射中心，但要進(jìn)行必要的適應性改造。
根據設計，嫦娥1號的運行軌道近地點(diǎn)為200千米，遠地點(diǎn)為51000千米，屬于大橢圓軌道�；鸺仨毦_地將探測器送入預定軌道，才能準確完成預定探測任務(wù)。為滿(mǎn)足探月衛星的特殊要求，長(cháng)征3號甲火箭控制系統增加了單機和線(xiàn)路備份，確保飛行過(guò)程中不出現任何偏差，萬(wàn)無(wú)一失。
選擇長(cháng)征3號甲主要考慮到它是長(cháng)征系列火箭家族中發(fā)射成功率最高的成員之一。該火箭擁有更靈活而先進(jìn)的控制系統，可在星箭分離前對有效載荷進(jìn)行大姿態(tài)調姿定向，并提供可調整的衛星起旋速率，具有很強的適應性。它主要用于發(fā)射地球同步軌道有效載荷，同時(shí)兼顧低軌道和太陽(yáng)同步軌道等其它軌道有效載荷的發(fā)射，也可進(jìn)行一箭雙星或多星發(fā)射。
目前執行發(fā)射任務(wù)的長(cháng)征3號甲火箭已進(jìn)入試樣研制階段，部分組件和箭體已開(kāi)始投產(chǎn)。但由于月球探測器尚處于初樣設計階段，今后研制人員還將根隨著(zhù)探測器研制的深入，逐步對火箭設計進(jìn)行適應性修改，預計將于兩年后出廠(chǎng)。
嫦娥1號發(fā)射時(shí)間的選擇要考慮到光照、太陽(yáng)入射角、測控條件和軌道限制等因素。發(fā)射后，衛星將用8～9天時(shí)間完成調相軌道段、地-月轉移軌道段和環(huán)月軌道段飛行。在經(jīng)過(guò)發(fā)射、飛行和進(jìn)入預定軌道等程序后，如何將探測數據傳回地面，是工程的技術(shù)難題。
嫦娥1號工程副總設計師龍樂(lè )豪說(shuō)，通俗一點(diǎn)講，該工程有三大目標，即“到得了”、“轉得起”和“傳得到”。嫦娥1號從起飛到進(jìn)入目標軌道將多次經(jīng)過(guò)中國上空。如地理位置和天氣條件允許，人們有可能用肉眼觀(guān)測到現代“嫦娥奔月”的情景。
測控和應用系統
由于旅途遙遠，所以測控系統尤為重要。測控系統將以中國現有的S頻段航天測控網(wǎng)為主，輔以甚長(cháng)基線(xiàn)干涉儀天文測量系統組成，并進(jìn)行必要的適應性改造。
嫦娥1號衛星不僅需要對月球進(jìn)行全天候的觀(guān)測，還需要把太陽(yáng)能電池板始終對準太陽(yáng)，同時(shí)又要把傳送天線(xiàn)對準地球。目前，中國在上海佘山和烏魯木齊分別擁有一個(gè)直徑25米的天線(xiàn)，但它們只能有4～6小時(shí)可用來(lái)接收星上信息。為了嫦娥1號計劃的順利實(shí)施，中國將分別在北京和昆明設一個(gè)直徑50米(國內最大)和一個(gè)直徑40米的天線(xiàn)。這樣在我們的國土上，可用4個(gè)天線(xiàn)交叉干涉，對近40萬(wàn)千米遠的嫦娥1號進(jìn)行測控，并為應對外界干擾因素和意外因素留有應急的能量。
地面應用系統包括月球探測衛星運行管理中心、數據接收中心以及科學(xué)數據處理和研究中心三個(gè)部分。
四大難關(guān)
雖然衛星和火箭采用成熟技術(shù)，但還是要攻克一些技術(shù)難點(diǎn)。中國航天器已到達的距地球最遠距離為7萬(wàn)千米，而月球距地球達38萬(wàn)千米。而且月球以及月球與地球和太陽(yáng)的相對關(guān)系具有其固有的特點(diǎn)，所以月球探測衛星與一般的地球衛星有很大不同。
據權威人士介紹，研制和發(fā)射嫦娥1號探月衛星的技術(shù)難點(diǎn)主要有4點(diǎn)：
一是軌道設計與控制。它是實(shí)現月球探測衛星繞月飛行的基本保證。在飛往月球軌道的過(guò)程中，月球衛星既不能碰著(zhù)月球，也不能飛過(guò)去，因此軌道設計和控制是一個(gè)新問(wèn)題。必須正確認識月球衛星軌道設計的客觀(guān)規律，尋找合理的工程實(shí)施途徑。
二是測控和數據傳輸。地月相距遙遠，測控信號的空間衰減明顯增大。同時(shí)為實(shí)現衛星繞月飛行，需經(jīng)歷復雜的軌道轉移過(guò)程，其間的測控任務(wù)對星上和地面測控系統提出了更高要求。38萬(wàn)千米外的探測帶來(lái)衛星天線(xiàn)怎么設計和地面站怎么設計等問(wèn)題。
三是制導、導航與控制。月球探測衛星從繞地飛行到準確進(jìn)入繞月飛行軌道，需經(jīng)歷多次復雜的軌道和姿態(tài)機動(dòng)，要求控制精度高和實(shí)時(shí)性強。衛星對地觀(guān)測是兩體定向，即太陽(yáng)帆板對日定向，觀(guān)測設備和測控通信設備對地定向，以觀(guān)測和傳輸信息。而繞月衛星是三體定向，即太陽(yáng)帆板對日，觀(guān)測設備對月，測控通信設備對地。三體定向問(wèn)題要復雜得多。
四是熱控技術(shù)。衛星繞著(zhù)月球轉，月球繞著(zhù)地球轉，地球又帶著(zhù)月球和月球旁的衛星繞著(zhù)太陽(yáng)轉，相對關(guān)系比較復雜，從而導致繞月衛星的熱變化巨大。而我們只能給嫦娥1號穿一件“衣服”，不能換。這件“衣服”要做到熱的時(shí)候不熱，冷的時(shí)候不冷，這是個(gè)難題。由于要經(jīng)歷復雜的熱環(huán)境，熱控技術(shù)必須適應復雜的外部溫度變化，以保證星上所有設備處在正常的工作溫度范圍。
不過(guò)，上述4個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，在目前的中國航天技術(shù)范圍內都能采取有效措施加以解決。
飛行三階段
為確保發(fā)射成功，中國決定采取多級推進(jìn)的方式將月球探測衛星送入月球軌道。按照方案，衛星在和運載火箭分離后，將先在地球軌道上運行3～4圈，逐步加速到地-月轉移軌道的入口速度，隨后沿大橢圓軌道飛向月球。
具體飛行程序大致分為三個(gè)階段：一是調相軌道段。衛星與運載火箭分離后，通過(guò)3次近地點(diǎn)變軌脫離地球軌道，進(jìn)入奔向月球的地-月轉移軌道。二是地月轉移軌道段。衛星要在該階段飛行5～6天，其間會(huì )進(jìn)行2～3次中途修正，以確保正確進(jìn)入預定月球軌道。三是環(huán)月軌道段。當衛星到達距月球200千米位置時(shí)，開(kāi)始減速制動(dòng)，通過(guò)3次近月點(diǎn)制動(dòng)逐步降低軌道近月點(diǎn)，最終到達高200千米的極月圓軌道，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。從發(fā)射到進(jìn)入環(huán)月工作軌道，共約約8～9天。衛星將繞月運行1年，對月球的地質(zhì)、土壤、環(huán)境和資源進(jìn)行探測。目前衛星設計飛行速度為每秒十幾千米。這一速度還可進(jìn)一步提高。
由于月地距離遙遠，衛星將采用一種特殊的雙自由度定向天線(xiàn)。
回顧中國探月工程
1994年，中國曾組織相關(guān)專(zhuān)家對開(kāi)展月球探測的必要性和可行性進(jìn)行過(guò)初步分析與論證，認為中國已有能力開(kāi)展月球探測，但由于各種原因，探月計劃未能啟動(dòng)。
當時(shí)中國已啟動(dòng)了載人航天工程，要在長(cháng)征2E火箭的基礎上發(fā)展載人航天用的長(cháng)征2F火箭，但該火箭首次發(fā)射什么載荷引起了大家的討論。有人提出用有限的資金發(fā)射一顆月球探測衛星，并提出一個(gè)簡(jiǎn)易的月球探測方案。但最后這個(gè)方案未能實(shí)現，主要原因是當時(shí)對探月尚未提出一個(gè)完整的發(fā)展規劃，缺乏長(cháng)期和有深度的科學(xué)探測目標，同時(shí)當時(shí)國家的經(jīng)濟環(huán)境剛剛好轉，航天基礎還不像今天這樣扎實(shí)，只能做到簡(jiǎn)單的環(huán)月飛行，對國家科技發(fā)展貢獻有限。
從1998年開(kāi)始，在著(zhù)名天體化學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠先生的倡議下，相關(guān)研究單位和部門(mén)組織許多相關(guān)專(zhuān)家與研究人員對開(kāi)展中國月球探測的可行性和必要性以及科學(xué)目標進(jìn)行了系統的分析與研究，先后向相關(guān)主管部門(mén)提交了《中國月球探測發(fā)展戰略研究》和《月球資源探測衛星科學(xué)目標》等論證報告。
2000年8月，在國防科工委的組織下，由王大珩等9位院士和總裝備部、航天科技集團、科技部、中科院和高等院校的5位專(zhuān)家組成評審組，對中國科學(xué)院提出的“月球資源探測衛星的科學(xué)目標與有效載荷”進(jìn)行了論證評審。
2001年成立了由中國科學(xué)院相關(guān)單位組成的專(zhuān)家研究小組，在此基礎上開(kāi)始了一些關(guān)鍵技術(shù)(如有效載荷)的攻關(guān)和地面應用系統等的研究工作。
2001年10月，中國月球探測計劃項目立項。2002年3月向國家提交“月球資源探測衛星工程可行性”的立項報告。
2004年1月，中國月球探測一期工程正式啟動(dòng)，國防科工委任命了中國月球探測工程總指揮、總師和首席科學(xué)家，各項工作進(jìn)入工程實(shí)施階段。
目前，嫦娥1號工程各項準備工作已進(jìn)入初樣研制階段，部分系統和分系統已研制出產(chǎn)品�，F有的航天測控網(wǎng)和中國科學(xué)院天文測控網(wǎng)將聯(lián)合為探月衛星發(fā)射和運行提供測控服務(wù)。用來(lái)接收探月衛星發(fā)回數據的地面接收系統的基礎工程建設也基本完成，整個(gè)天線(xiàn)架設工作進(jìn)展順利。
前景展望
嫦娥1號工程的核心是實(shí)現從地球走向月球，充分利用中國現有的成熟航天技術(shù)，研制和發(fā)射月球探測衛星，突破地月飛行、遠距離測控通信、繞月飛行、月球遙感與分析等技術(shù)，并建立中國月球探測航天工程的初步系統。
此后將在2010年前向月球發(fā)射無(wú)人探測裝置，實(shí)現月面軟著(zhù)陸探測；在2020年前完成采集月壤樣品的工作，實(shí)現月面巡視勘察采樣返回。第二和第三階段工作已納入國家中長(cháng)期科技發(fā)展規劃，正在進(jìn)行論證。
根據預想，未來(lái)第二期計劃將用月球車(chē)對月面進(jìn)行巡視勘察，并擬建立一個(gè)月基天文站，借助月球幾乎沒(méi)有大氣的便利條件，對太空和地球進(jìn)行觀(guān)測。二期計劃中采用的月球車(chē)，將采用全國招標的方式來(lái)選擇。如果月球車(chē)計劃能成功，那么這套方案稍作修改，就可以用到未來(lái)的火星探測中去。
月球探測是眾多高技術(shù)的高度綜合，將帶動(dòng)和促進(jìn)航天技術(shù)和中國基礎科學(xué)等其它高技術(shù)的發(fā)展，如大推力運載火箭、深空探測、深空測控、光電子、機器人、人工智能、遙科學(xué)、新能源和新材料技術(shù)等。這些高技術(shù)的進(jìn)步將會(huì )在國民經(jīng)濟和國防建設等方面得到推廣和運用，產(chǎn)生顯著(zhù)的社會(huì )和經(jīng)濟效益，并推進(jìn)中國航天領(lǐng)域的國際合作。
繞月探測工程總設計師、中國航天科技集團公司高級技術(shù)顧問(wèn)、中國科學(xué)院院士孫家棟認為，中國月球探測的主要目的是從科學(xué)的角度去了解月球這個(gè)離我們最近的天體，發(fā)展航天工程技術(shù)。隨著(zhù)月球探測各期工程的分步實(shí)施，逐步突破繞月探測關(guān)鍵技術(shù)、月球軟著(zhù)陸與自動(dòng)巡視勘測技術(shù)和月球自動(dòng)采樣與地-月往返技術(shù)，研制和發(fā)射月球探測衛星、月球軟著(zhù)陸器與月球車(chē)和月球采樣返回器，建立并逐步健全月球探測航天工程系統，為未來(lái)的深空探測活動(dòng)奠定技術(shù)基礎。隨著(zhù)工程的進(jìn)展，中國的航天技術(shù)將得到整體提升，實(shí)現跨越式發(fā)展。(作者：平樹(shù)）
