“二姑娘”后期有望试验落月(图)

“二姑娘”后期有望试验落月(图)

2019-04-14 22:59

  如果将嫦娥探月系统比作一个大家庭,嫦娥二号就是这个家庭中的“二姑娘”。今天她将携手长三甲火箭家族的“老三”长三丙,走上一场新婚探月之旅。就嫦娥二号的载荷、登月方式等关键性技术环节,中国探月工程副总设计师于登云、嫦娥二号卫星总设计师黄江川等专家予以揭秘。

  谈及嫦娥二号将来的三种归宿时,专家表示,卫星可能会对月球做补充探测,最终考虑试验落月。

  嫦娥二号在奔月轨道和环月运行轨道上不同于嫦娥一号,她将直接由运载火箭送至地月转移轨道进行奔月,这样既可以更好地节约卫星所携带的燃料,同时也可以缩短卫星到达月球的时间。而嫦娥一号是先发射到地球附近的过渡轨道,再经过多次调整进入奔月轨道。

  在环月运行轨道上,嫦娥二号主要运行在100公里的圆轨道和近月点15公里、远月点100公里的椭圆轨道上,这样便可以更好地探测月球表面环境,并对后续发射的嫦娥三号备选着陆区进行高分辨率成像。

  有人做过形象的比喻:嫦娥一号卫星采用的发射轨道犹如让卫星通过“走步梯”的方式,在星箭分离后依靠自身的动力达到奔月点,而嫦娥二号卫星直接由火箭送入地月转移轨道奔月口,好像坐的是“电梯”,一步到位。这个比喻形象地说明了两种发射方式的不同。

  这种地月转移轨道发射方式,可以大大缩短卫星奔月的时间。相比于嫦娥一号卫星,嫦娥二号卫星的奔月时间缩短了一半还多,预计112小时(近5天)即可到达月球。

  专家指出,嫦娥二号卫星的发射成功,充分验证了火箭直接把卫星送上地月转移轨道的技术和能力,将成为我国探月后续工程采用的轨道方式。

  嫦娥二号绕月飞行高度由嫦娥一号时的200公里降低到100公里,为月球拍近照。它所携带的CCD相机的精度也由之前的120米的分辨率提高到7米以内,分辨率提高了17倍。也就是说,相机“聚焦”精确度提高了17倍。

  据了解,至今国际上还没有分辨率优于10米的全月立体图像,而嫦娥二号CCD立体相机具有这种高精度能力,将为我国探月做出国际领先的科研成果。

  和嫦娥一号不同,嫦娥二号还携带了四台微小相机,这是它所特有的。这四台相机分别为发动机监视相机、定向天线监视相机、太阳翼监视相机和一台降落相机。

  卫星主发动机是卫星在太空中进行轨道调整的唯一动力,其作用相当于汽车引擎。卫星在奔月途中的轨道调整、接近月球时的减速、在轨运行时改变轨道高度等关键动作都需要靠主发动机点火来完成。如果发动机因出现故障而失去工作能力,三期必中一波,那么卫星就会失去控制,寿命即告终结。对发动机工作状态的监视一般通过遥测数据进行判读,为了更好地了解发动机在太空中的实际工作状况,专门给主发动机配备了一台监视相机,拍摄发动机工作的视频图像,供设计师参考。

  定向天线是针对月球探测的特殊需要设计的天线,用于将卫星自身的各种信息和探测数据传回地面接收站,是卫星与地球连接的纽带。与地球卫星天线固定安装不同,嫦娥二号定向天线要在月球围绕地球转、卫星围绕月球飞的三体运动环境下,始终保持对准地球。也就是说,在卫星绕月飞行过程中,定向天线要随着卫星位置的变化不断转动,以保持始终对准地球,否则地面站将无法接收卫星发出的信号。

  太阳翼帆板是卫星的能量来源,也是影响卫星工作寿命的另一个关键部件。卫星发射时太阳翼处于折叠状态,星箭分离后展开,在卫星飞行过程中还要不断调整方向,以跟踪太阳,使太阳翼获取足够的能量,供卫星完成成像等各项任务。

  太阳翼展开及在地、月、星三体运动中保持对日定向的过程比较复杂,较其他系统更容易出现故障,虽然在地面做过充分的试验验证,但仍不能保证在太空中100%可靠。而第三台监视相机可以拍摄太阳翼展开及工作过程,获取的图像资料供技术人员进行深入研究,对改进太阳翼设计、提高整星可靠性非常有益。

  实现月面软着陆是探月二期工程的主要目标之一,彩民之家特供一肖码!着陆器在降落过程中将根据图片自主避开不适于降落的地点,“临机决断”选择一块适宜降落的平坦表面。因此,降落相机的性能是影响着陆器软着陆能否成功的一个关键因素。降落相机可根据需要选择清晰拍摄或快速拍摄工作模式对月面拍摄。由于月面目标均为灰色,此相机为黑白相机。嫦娥二号卫星在飞行中将把轨道高度降低到15公里的高度,对这样一台全新设计的降落相机的性能进行实战考验,为将来嫦娥三号的探月征程打好前战。

  虽然这四台相机都只有手掌大小,每台重量仅三四百克,看起来与我们平常用的数码相机相差无几,但集成了光、机、电、热等多项先进技术和自动拍摄、实时图像压缩等智能化功能,能应付恶劣的太空辐射、温度环境,能承受发射时的强烈冲击和振动。

  嫦娥二号卫星总设计师黄江川介绍,对于月球探测和深空探测的航天器来说,其上天成本甚至是几倍于同重量的黄金。因此,我国要想实现更大重量或者更远距离的空间探测,必须最充分地利用火箭的推力,减少卫星燃料的消耗。

  如果把嫦娥二号卫星比作“嫦娥”家族“二姑娘”的话,那么长三丙火箭就是长三甲火箭家族的“老三”。嫦娥二号卫星的发射,实现了“二姑娘”和“三弟”的完美联姻,可谓创造了中国航天器不同家族的传世佳话。他们的这桩“婚姻”,还是探月专家们做的“媒”。

  我国发射嫦娥一号卫星使用的是长三甲火箭,它是长三甲火箭家族的“大哥”。嫦娥二号作为绕月探测二期工程的先导星,这就决定了此次发射任务承担着为绕月探测二期工程中的关键技术进行验证的使命,再加上嫦娥二号的重量达到2480公斤,因此,无论是从轨道参数等技术要求还是从载重要求来说,“长三甲”都难以担此重任。而“长三乙”的载重量对于嫦娥二号卫星的发射任务而言,又是一种浪费。在综合了技术方面的新要求和保证经济性、节约经费开支的双重考虑之后,嫦娥二号的发射任务才正式交付到“长三丙”的身上。“老三”的运载能力比“老大”大一些,比“老二”小一些,用它发射嫦娥二号一点不“浪费”。

  地月转移轨道的轨道设计要受到多方面因素的制约,其中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。

  我国在西昌卫星发射中心发射的火箭,火箭的壳体按规定要落在云南省特定的区域内。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。这使火箭在一级飞行时的轨道没有“自由发挥”的余地。

  第二个因素是我国发射测控网的限制。测控网主要包括三个部分,一部分是我国陆上建设的测控站,另一部分是可以使用的外国陆上测控站,还有一部分就是测控船。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。

  第三个制约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。

  “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。”长三甲系列火箭设计师李聃介绍,“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。相比于嫦娥一号卫星发射时的火箭飞行轨道,本次发射由‘固定靶’升级为‘移动靶’,难度自然大大增加。”

  嫦娥二号卫星总设计师黄江川介绍,和嫦娥一号200公里轨道相比,100公里轨道上的热流增加了20%~30%。嫦娥二号卫星在100公里轨道上短期运行后温度升高了15℃左右。因此,嫦娥二号卫星的100公里轨道工作环境将面临100℃左右的高温。为了应对如此高温的“大烤”,技术人员采取了多个方面的有效措施。

  月表的热量主要来自太阳光。但是,由于月表具有很强的反射性,所以嫦娥二号卫星实际上面临太阳的炙烤和月表反射光的强烈照射。这也是100公里轨道处温度高达100℃的主要原因。另外,月球上没有空气等作为热传导的介质,因此卫星上受到光线照射的部分温度会很高,而没有光线照射的地方会在零℃以下,卫星的两面可能相差300多℃。

  对于卫星内部元器件来说,0~20℃的温度是最理想的工作温度。那么如何在卫星处于高温区的时候把星内温度降下来呢?为了解决这个问题,卫星技术人员重新设计了热控系统,对卫星舱内的热交换系统进行了重新设计和布局,卫星受到照射的部分和没有受到照射的部分之间能够迅速实现热交换,从而使其不至于高者过高、低者过低,而是维持一种平衡的状态。

  出现在电视或者照片上卫星表面金光闪闪和银光闪闪的发亮的东西,这些就是精心为嫦娥卫星织的“嫁衣”。金光闪闪的衣服有着非常好的隔热作用,不仅能够防止卫星热量散失,而且可以阻止外部的热量进入卫星内部;而银光闪闪的衣服有着非常好的散热作用,能够将卫星内部产生的废热及时排散到外界空间中。这些金光闪闪和银光闪闪的衣服组成了一个天然的空调系统。

  卫星热控系统主任设计师向艳超介绍,嫦娥二号卫星表面的金光闪闪的衣服,是一层层比羽毛还轻的膜状物和网状物间隔拼叠而成,共有15层。采用这种方式制成的衣服在真空环境条件下具有很强的隔热效果,起到保温作用,其保温效果足以和热水瓶瓶胆的保温效果相媲美。

  银光闪闪的衣服,是一层类似镜子一样的膜,它具有很强的反射能力,能够将太阳光的85%左右反射掉;同时它还具有较强的散热能力。因此如果卫星舱内温度过高的时候,这层银光闪闪的衣服就可以把热量排散掉。

  太阳翼是最直接接触外部环境的卫星部件。一般情况下,它总是保持太阳光线能够直射到太阳翼上。工作状态的卫星基本上都是靠太阳翼来供电的。

  “但是,嫦娥二号卫星处在高温环境中,太阳光的持续直射,可能造成帆板温度过高而失效。”卫星GNC系统主任设计师戴居峰说,国外已经有探月卫星因为太阳翼失效而导致整星失踪。

  为了使嫦娥二号卫星的太阳翼帆板在高温环境中保持良好的工作状态,技术人员采用多种方法来保护帆板。首先是避开太阳直射,设计人员设计太阳翼的时候使其和太阳成30°夹角,而不是直接垂直于太阳光线,这样温度就会大大降低。

  另外,嫦娥二号卫星上的太阳翼帆板可以进行任意角度的旋转,以达到最佳的保护效果。卫星上有一套软件系统,在温度达到一定的高度时,软件可以支持卫星让帆板停转,这时太阳翼帆板会停留在和太阳光成60°夹角的地方,帆板温度就会降下来。

  嫦娥二号卫星完成预计的试验验证和科学探测任务后,这位“二姑娘”将有怎样的打算?嫦娥二号绕月探测卫星的总设计师黄江川介绍了三种可能的结局。

  黄江川表示,嫦娥一号卫星最后“受控撞月”是额外完成的任务,能如此“超额”完成任务,主要是因为卫星状态依然良好且还剩有足够的燃料,可以对其轨道进行精确控制。

  嫦娥二号卫星的发射将采用地月转移轨道技术,火箭直接把卫星送入奔月轨道,可以大大节省卫星的燃料,因此如果各项任务顺利的话,嫦娥二号卫星在完成半年的规定动作后,仍会有相当数量的燃料剩余,这令“二姑娘”同样具备“超额”完成任务的潜质。

  我国探月工程管理部门、科学家和卫星技术人员曾经一起研讨过“二姑娘”的最终命运,大致形成了三种设想,但还没有最终下定论。

  一种意见是,可以根据卫星在轨运行的情况,结合我国探月工程的后续进展,对嫦娥二号卫星传回的数据进行综合研究,对月球做补充探测,最终可以考虑卫星落月,这将为“嫦娥三号”等后续任务提供技术验证。

  第二种设想是让她“远嫁”他方,验证我国更远宇宙空间的深空探测能力,让卫星飞出地月环境,飞向更远的太空。

  第三种设想是让她回“娘家”,即让她沿着月地转移轨道,飞回地球并成为地球卫星。

  “最终采用哪种方式,还要看前期主任务执行情况以及卫星的状态和能力。到时候各方专家肯定会汇集到一起,共同研究,决定‘二姑娘’的终极命运。但我相信一个最起码的思路是,会为卫星选择一个最具意义、可利用价值最大的归宿。”黄江川认为,把卫星的命运放在整个探月工程及未来深空探测需求中可能是最合适的选择。

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