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欧阳自远:嫦娥五号将实现从月面起飞 绕月飞行

综合          于 December 12, 2013 at 11:54:41:

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  中国探月“三年一会”,在这个冬天如期而至。

  继2007年嫦娥一号,2010年嫦娥二号完成奔月之旅后,2013年12月2日凌晨,嫦娥三号携带中国第一辆登月车飞向月宫。

  这是中国探月工程“绕、落、回”三个阶段中第二阶段,却是最为关键的一步。中国是否进行载人登月及建立驻月基地,需要在这一“落”中寻找更多的答案。

  航天是一项风险极高的事业,没有强大的国力和技术储备,很难进行。从火箭运载工具到航天器的设计制造,从深空测网布局到遥操作,从无人探测器到载人航天,每一步都是国家综合实力的体现。

  天空就在那里,我们需要梦想更需要理性,从嫦娥一号升空到实现载人登月的梦想,中国仍有很长的路要走。而每一步的迈出都要依据中国的科技水平、综合国力和国家整体发展战略而制定。

  本刊记者/席志刚

  寒冷的月宫即将迎来首位中国访客。12月2日,承载国人探月梦想的嫦娥三号顺利升空,并准确进入地月转移轨道,开启了中国首个航天器在地球外天体着陆的大幕。

  按照计划,嫦娥三号将在12月6日进入高度为100公里的近月轨道,并在发射13天后在月球上实施软着陆,而首次登月的“玉兔”月球车将完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务。

  在科学技术和经济发展的强力支撑下,中国在宇宙探索的路上开始“加速度”。

  “落下去,走起来”

  自1976年美苏等航天大国探月工程告一段落以后,就没有哪个国家再到月球上进行落月探测。

  按照中国的嫦娥三号任务,整个探月共有三步,落下去算一步,月球车走起来算一步,到达之后完成全部任务是最后一步。在“嫦娥之父”、中国空间技术研究院空间科学与深空探测首席专家叶培建看来,安全落下去就是成功,随后月球车离开着陆器行走起来并能在月球上工作一段时间,任务结束以后就是最大的成功。

  如何安全地落下去,并顺利地走起来,是嫦娥三号遇到的最大挑战。

  在整个落月过程中,在离月面一百米的时候要像直升机一样悬停,通过全景相机等对月面进行探测,选择合适的降落区。若有石头或者是坑,就要进行平移,选择一个更安全的地方。

  随后的软着陆更是巨大的考验。因为月球没有大气层,不能使用降落伞进行减速,科研人员采用变推力发动机、自主导航控制技术和研发缓冲吸能部件来攻克这一难关。

  “一边落一边往上推,这样慢慢降下来,逐渐下落至距月球表面4米的位置之后发动机将熄灭,将采用自由落体的方式,软着陆在月球。”航天专家庞之浩告诉《中国新闻周刊》,“难度之大,超乎想象。”

  接下来要过巡视关,月球车得动起来,还要保证不翻车。在开始行进前,月球车采用的是视觉导航,利用自己所携全景相机,对四周进行观测,自主进行规划路线,然后行进。与此同时,全景相机所拍资料传回地面,以便无法自主行进时,地面科技人员遥操作控制巡视器移动。

  与美俄无人探月要么是单个着陆器,要么是单个月球车不同,中国的嫦娥三号是把着陆器和月球车探测器结合起来的联合探测。

  月球科学领域专家表示,嫦娥三号挑战人类月球科学探测史上的几项“首次”主要由嫦娥三号携带的八大科学载荷中的三件完成。其中,近紫外月基天文望远镜将进行世界上首次用月基天文望远镜观测天文;月球车“腹部”的测月雷达随月球车移动探测月球地底下30米深土壤层的结构和100米深的次表层结构亦属世界首次。

  月夜生存是嫦娥三号落月后面临的又一难关。庞之浩说,月昼月夜有330多摄氏度温差,必须保证各载荷在寒冷的月夜下着陆器和探测器不被冻坏,太阳出来时再自动唤醒开始工作。

  为突破长时间经受严寒难关,在月球上过夜,嫦娥三号将携带核能电池飞天。核电池对将在月夜环境下生存的嫦娥三号的保温至关重要。庞之浩告诉《中国新闻周刊》,不仅可以确保探测器上仪器不被冻坏,夜间休眠中的月球车还可以靠核电池放出来的热量保温。

  此外,核电池还可以用于小规模供电,支持嫦娥三号所带月球车低速移动;支持嫦娥三号所带设备正常工作;支持嫦娥三号与地球之间的通讯。据了解,嫦娥三号探测器携带的核电池由中核集团研发。

  与美苏上世纪50~70年代即把核电池用于航天领域相比,中国则落伍很多。中国第一块核电池于1971年3月12日诞生于中科院上海原子核所,并进行了模拟太空应用的地面试验。从中国原子能科学研究院官方网站上可以发现,2004年开始该院正式启动航天用同位素电池的研发,到2006年,研制出我国第一颗钚238同位素电池,2008年通过了专家组的鉴定。

  虽然“国产”同位素电池的功率与美国核电池140瓦左右的功率还有距离,但技术并不逊色。航天专家称,在我国未来的深空探测计划中,比如火星、金星探测中,核电池会发挥越来越大的作用。

  全球“月球车”大比拼

  此次嫦娥三号搭载的“玉兔”月球车,金光闪闪,颇引人注目。月球车全名为“月面巡视探测器”,是集航天系统工程和智能机器人为一体的航天器,能完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务。

  迄今为止,世界上发射并成功运行的月球车有5辆,其中两辆无人探测月球车是前苏联在上世纪70年代发射,另外三辆是美国阿波罗15号、16号、17号有人驾驶月球车。

  中国的玉兔号月球车是无人驾驶月球车,质量约140kg,与前苏联约1.8吨重的月球车相比简直是“小个子”。在庞之浩看来,月球车是中国最高智能的机器人,全部自主导航,自己选路线、上坡、下坡、避开障碍,自己指挥身上的仪器操作,最后把数据传回地球。

  据了解,月球车金光闪闪是穿上了一套特殊材料制作的外衣,是一层层比羽毛还轻的保温膜,这种保温膜由膜状物和网状物间隔拼叠而成,共有15层。此外还有一种银色膜主要用来反射太阳光和散热,金银外衣组成了一个天然的空调系统。

  很长一段时间,月球车由哪个单位制造,并没有明确的说法。庞之浩透露,“玉兔”月球车由中国空间技术研究院牵头,集众多科研单位研究成果于一身,各个研究单位的优势得到了已有体现。

  直到2006年6月27日,由中国空间技术研究院承担的国家科技攻关计划“月球探测车制导导航技术研究”通过了科技部组织的国家级验收,并从7月12日开始在月球环境相似的甘肃与宁夏交界处腾格里沙漠边缘的沙漠腹地进行月球车野外试验,此后,中国空间技术研究院研制的月球车才进入公众视野。

  “嫦娥三号任务系统的探测器系统由中国空间技术研究院抓总,探测器有效载荷由中国科学院空间科学与应用研究中心抓总。”庞之浩告诉《中国新闻周刊》,这是最严谨的说法。

  据《中国新闻周刊》了解,中国空间技术研究院介入月球车的研制可以追溯到2003年,当年2月,北京控制工程研究所的梁斌、王巍、王存恩在中国空间技术研究院网站发表名为《开发我国月球车的初步设想》的文章,文章称,北京控制工程研究所承担了“月球表面探测机器人方案研究”的863项目,并取得了一些成果。

  贾阳是中国空间技术研究院月球车课题组的负责人之一,在2006年的一次访谈中透露,他的团队在吸取了其他科研单位在移动、导航方面的经验后,与多家研究单位形成了联盟。最终登月的“玉兔”月球车是多家科研单位合作的结果,哈工大主要负责制作它的移动系统和底盘,沈阳自动化所做的是机械臂。

  尽管逃不脱国外月球车的影子,但中国的月球车并不是克隆产品。月球车的每项技术都打上了中国制造的名字,核心技术完全自主开发。

  “月球车上的技术在其他航天领域也会得到应用,并不止步于探月。”贾阳此前表示,关键技术掌握了,稍做改装还可以投入火星探测之用。考虑到月球与火星星球环境的不同,会做适当改进,不过移动、导航、自主性的大框架还是一致的。

  中国登月下一步

  所有参与航天活动的国家都承认,航天是一项风险极高的事业,几乎都曾饱尝过失败的苦涩。中国探月工程首席科学家欧阳自远坦言,探月工程经受不起失败。特别是嫦娥三号80%的产品和技术都是新的,更增加了风险。

  即使是在相对成熟的发射阶段,其运载火箭必须满足高可靠性、高安全性和高质量的“三高”要求,这种要求极为苛刻。

  航天专家透露,在完全串联系统中,若火箭零部件的可靠性为0.99999,即10万个零件中有故障的不多于1个,这种情况下组装的火箭的可靠性却只有可怜的0.37,也就是发射3枚火箭就有可能失败1枚。而要使火箭的可靠性达到0.9999,就要求零件的可靠性达到0.99999999,也就是说,1亿个零件中,不可靠的都不能多于1个。

  此次执飞嫦娥三号发射任务的是长征三号乙增强型运载火箭。长征三号乙是中国目前运载能力最大、技术最先进、构成最复杂的运载火箭,代表中国目前运载火箭技术的最高水平,在世界航天界也居前列。

  长征三号乙增强型火箭在长征三号乙火箭的基础上开展了六大专项技术攻关,科研人员借鉴成功率更高的用于载人航天发射的长征2F技术对长三乙运载火箭进行了9项可靠性增长改进项目,飞行可靠性由原来的0.938提升至0.942,以确保嫦娥三号完美落月。

  尽管有风险,但中国探索太空计划依然雄心勃勃。

  按照此前中科院发布的中国科技发展路线图,其中2050年空间科技发展路线图明确提出,2030年前后中国实现载人登月,建立月球基地,2050年前后,载人飞行从月球基地飞向更远的行星,具备载人登火星能力。

  “载人登月目前尚没有时间表和明确的、精细的路线图。”庞之浩认为,载人登月、建立驻月基地以及载人登火星只是科学家的建议,目前中国探月工程进展至“绕”“落”“回”三步中的第二步。

  “若嫦娥三号一切顺利,嫦娥四号则会做一些改进,更换落月点。”庞之浩告诉《中国新闻周刊》,嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,其任务与嫦娥三号一样。

  中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远同样在嫦娥三号发射前勾画了探月工程的未来,嫦娥五号要降落在月球上,探测取样后实现月面起飞,然后绕月飞行。由于嫦娥五号没有能量飞回地球,需要在发射嫦娥五号时,同时发射一条飞船在月球外面绕飞,在月球轨道等嫦娥五号上来与其交会对接,并将其带回地球。

  由于嫦娥五号的有效载荷太重太大,需要研制新火箭进行发射。据了解,新的长征五号火箭正在研制中,这是一款直径为5米的重型运载火箭,目前已突破多项关键技术,进入到试样阶段,并预计于2015年左右在中国海南省文昌卫星发射中心首飞。 ★

  中国布局“深空测控网”

  测控系统是所有航天器飞行的“神经中枢”,航天器在发射段、上升段、变轨段、分离段、返回制动段等关键飞行段落都离不开测控通信支持,而航天测控水平则是航天界评价航天发展水平的重要标志

  本刊记者/席志刚

  中国的嫦娥三号发射前夕,正值美国大片《地心引力》在全球热映,电影中一名女宇航员因为一次太空中的意外事故与地球大后方失去了联系,不得不一个人面对宇宙的无垠和人类的孤独并想方设法回到地球。

  电影的故事虽然虚构,但却形象地展示了现代航天中测控通信的重要“脐带”作用。

  事实上,为了保障这条脐带的通畅,在中国航天向浩瀚宇宙进发的过程中,一张由海基测量船、国内陆基、海外陆基以及天链1号、2号组成的“深空测控网”正在逐渐完成。这些测控站点就好像是蜜蜂的复眼,地面工作人员通过这些“复眼”了解嫦娥三号运行、飞行等情况,落月后展开月地间的遥操作,控制月球车的行走动作,并为未来的深空测控提供支持。

  遥操作“三大中心”

  无论是嫦娥三号 “落月”,还是月球车巡视勘察,都需要极为精确的测控控制技术做保障。

  航天专家庞之浩告诉《中国新闻周刊》,本次任务是中国首次在地外天体实施软着陆探测,任务技术状态之新、飞控技术难度之大均前所未有。

  据北京航天飞行控制中心总工程师周建亮介绍,此次任务飞控工作有“三高”:技术状态全新,处置能力要求高;遥操作约束复杂,飞行控制精度高 ;系统交互多,着陆器和巡视器两器协同程度高。针对这些难点,北京航天飞行控制中心先后突破了高精度月面视觉定位、月面巡视动态任务规划、巡视器路径规划与行走控制等六大关键技术。

  这些技术和任务最终都需要来自地面的指挥,因而建设一张能够实施精确测控的深空测控网必不可少。

  据了解,嫦娥一号共使用了6个国内测控站,以及南美、欧洲、大洋洲等海外监测站,加上海上移动的两艘远望号测控船,观测嫦娥一号的“复眼”达到十余只。

  嫦娥二号发射时中国已经具备了由13个测控站组成的庞大、先进的航天测控通信网。这些测控系统包括3个中心、3条测量船、6个位于国内的测控站、1个建于国外的测控站、4个天文观测站及1个国际联网测控站。

  “嫦娥二号是嫦娥三号的先导星,承担着为嫦娥三号月面软着陆验证部分关键技术,特别是首次试验X频段深空测控技术。”庞之浩解释说,X频段深空测控试验的成功实施将使无线电传输信号频率大大提高,远距离测控通信效果更好、测量精度更准、信息容量更大,是中国迈向深空探测的重要一步。

  据了解,嫦娥三号使用地面测控系统更加先进和全面。包括启用多处天文台配合地面测控。整个测控网络的核心是位于国内的三大中心,即西昌卫星发射中心、北京航天飞行控制中心和西安卫星测控中心。它们有不同分工,分别侧重不同的测控任务。

  西安卫星测控中心负责对分布在国内外的多个测控站、船、中继卫星组成的测控网实施管理。

  北京航天飞行控制中心是航天飞行器任务的飞行控制和遥操作中心,也是嫦娥三号任务全过程的指挥控制神经中枢,是所有测控信息的集散地。嫦娥三号在奔月之路上的各阶段数据注入与指挥控制,均与这个中心的指挥控制息息相关。

  西昌卫星发射中心则主要担负发射时对火箭的测控任务,接收记录北京中心转发的卫星遥测数据并提供给卫星系统。准确判断运载火箭飞行状态,在发生故障、情况危急时立即正确分析情况并做出相应决策,保证发射段火箭与卫星的安全。

  “深空测控网”

  测控系统是所有航天器飞行的“神经中枢”,航天器在发射段、上升段、变轨段、分离段、返回制动段等关键飞行段落都离不开测控通信支持。而航天测控水平则是一个国家航天发展水平的重要标志,因此,中国一直在努力完善自己的测控通信网。

  航天测控网一般由航天控制中心、分布在世界各地的若干航天测控站、海上测量船以及空中空间测控平台组成。测控站按其分布,有陆上测控站、海上测量船、空中测量飞机和跟踪与数据中继卫星四大类。

  中国从1967年开始建设自己的航天测控网,2011年神舟八号发射前,航天测控通信网进行了全面升级,由专线体制升级到网络体制,并与中继卫星系统共同参与测控组网。

  与嫦娥一号、二号不同,嫦娥三号任务的重点和难点是“两器协同控制与巡视器的遥操作”。对于应急处置能力、飞行控制精度和天地协同控制提出了更高的要求。

  为此,在三大中心之外,嫦娥三号还启用了经过改扩建的佳木斯测控站,该测控站新安装了64米口径测控天线,并同时具备三个频段通信测控功能。与已拥有35米口径测控天线的新疆喀什测控站共同构成一个深空测控网,并与三亚新型测控站形成中国航天陆基测控网“大三角”布局。

  为了提高测控精度,嫦娥三号还启用了多处天文台配合地面测控。包括云南昆明40米口径和北京密云50米口径射电望远镜,以及中科院上海天文台刚建成的65米口径射电望远镜,为嫦娥三号任务提供精确测控保障。

  “测控网和天文台相互备份,可以确保遥操作精准。”庞之浩说,两个以上的天文射电望远镜组合起来可以实现测轨和定轨,于是我国采用了测控网与天文测量技术联合测轨的方法,用以提高定轨精度。

  这种联合测控的方式将在未来的深空测控网中得到更多应用。按照计划,佳木斯64米口径测控站、喀什35米口径测控站以及将于2016年建成的南美测控站将构成的三站联网的深空测控网。而未来新疆乌鲁木齐天文观测站要建立80米口径望远镜,也将是未来深空测控的补充力量。

  海外布局“一波三折”

  2011年11月3日,在神舟八号和天宫一号交会对接时,北京航天飞控中心的大屏幕上出现了在澳大利亚西部城市当加拉设立的测控站画面,引起了包括美国在内的航天大国的关注。

  中国的官方报道称,由于在天宫一号和神舟八号交会对接任务中,系统需要同时完成对两个航天器的测控通信管理,针对这一要求,新建了澳大利亚当加拉监测站。

  据了解,澳大利亚批准中国在澳大利亚西部的当加拉测控站园区内设立中国地面测控站的条件是只能民用。当地报纸报道说,测控站是由瑞典空间公司建立的,后来被租借给北京,但关键设备都是从中国运来。

  由于其独特的地理位置,加上澳大利亚是美国的传统盟国,美国在澳大利亚有驻军及军事设施,中国首次在美国的盟国建立这类设施,引起了美国的警惕。尽管瑞典空间研究中心和澳大利亚当局解释说,测控站只用于民用,但并未消除美国的疑虑。

  事实上,中国自1990年代开始尝试在国外建立陆基测控站。目前已在海外建立了五个可以使用的航天测控站。这些海外测控站与海基测量船、国内陆基以及天链1号、2号组成一道先进的航天测控网。

  如同当加拉监测站一样,中国建立海外陆基测控站过程中一波三折,经历过各种干扰。

  1995年,由于中国发射卫星后要专门派遣远望号测控船到南太平洋进行测控,耗资巨大。经有关部门分析论证,提出在附近的基里巴斯建一个测控站,以节省大笔费用。从1995年6月开始,中方先后多次与基里巴斯商谈建站事宜。1996年基里巴斯政府答应租给中国政府一块位于塔拉瓦面积一公顷的土地并正式达成协议。塔拉瓦测控站1997年1月开建,当年6月6日建成,成为中国在国外建立的第一个自主航天测控站。

  建成使用期间,塔拉瓦测控站多次测控了中国发射的卫星,成为中国航天测控网的一个组成部分。不过,后因2003年基里巴斯政局变化,基里巴斯新政府与台湾“建交”,中方最终从塔拉瓦测控站撤出。此后,主要依赖远望系列测控船在南半球监控卫星和飞船。

  虽然塔拉瓦测控站的建设最终流产,但在巴基斯坦和非洲等地测控站的建立将海外布局推进了一大步。

  1998年,根据中国航天飞船的工艺要求和总体安排,决定在巴基斯坦卡拉奇建立一个航天测控站。卡拉奇站站址选在巴基斯坦空间与上层大气研究委员会的院内,1999年10月1日落成,成为中国第二个海外测控站,为神舟一号、二号的发射回收提供了支持。

  此后,由于中国航天重点实施载人航天工程,每次飞船执行任务对精确测控提出了更高要求,所以新建的海外测控站多根据载人飞船的飞行轨迹进行选点布局。

  在中国前驻纳米比亚大使陈来元的记忆中,由于神舟飞船返回段航程经过南部非洲靠近纳米比亚上空,需要在纳米比亚建立航天测控站以实现全程跟踪测量,但纳米比亚站的建立也同样一波三折。

  2000年10月,中国与纳米比亚签署建站协定,但此后租地问题上出现了麻烦,最后中方只得向时任纳米比亚总统努乔马求助,在努乔马过问和关照下,中方得以先动工建站,再补办相关手续。2001年1月中旬测控站动工建设,7月下旬落成后,即发挥作用。神舟三号、四号飞船及五号载人飞船的顺利返回,与该站准确测控并发出正确指令密切相关。

  另一个非洲测控站马林迪站则直接与神舟五号的任务有关。

  由于神舟五号是载人飞船,必须确保搜救组能在最短的时间里寻找到着陆的飞船,必须在赤道附近西经40度左右的区域内建一个“望塔”来填补将近10分钟的数据真空。

  2003 年初,中国航天测控工程专家组与与罗马大学和意大利航空局进行合作谈判,决定租用意大利罗马大学布罗格里奥空间中心建在马林迪的圣马可营地,并从国内调配专家和设备组建了马林迪航天测控站。

  马林迪测控站是神舟五号和神舟六号发射工程中唯一一个部分租用的测控站。完成神舟五号飞船测控任务后,马林迪测控站成为中国西安卫星测控中心测控网络中第4个重要的测控节点。

  神舟七号飞船将执行出舱实验任务,为保证出舱活动的安全,中国又在智利增加一个测控站。2008年中国在智利圣地亚哥建立了中国卫星测控站,由此,中国航天测控网节点开始进入南美腹地,国外测控站的总数达到5个。

  智利圣地亚哥站先后参与了中国一些重大航天项目的地面测控工作,特别是2010年10月1日对“嫦娥二号”的测控,由于该站的启用,加上与欧洲空间操作中心及所属的位于南美的库鲁测控站进行合同,使得测控通信覆盖率达到98%。

  按照中国探月任务目标要求,中国将在2016年完成航天测控全球网络布局,并具备深空探测能力,用于支持未来中国探月工程的月球探测器返回地球、载人登月、火星探测及其他深空探测任务。 ★



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