超遠(yuǎn)距離通訊如何保證
從地球要飛到月球，類似星際探測。從常識來說，距離越長，傳回的信號就比較弱�！白铍y的一點(diǎn)就是我們?nèi)绾胃櫺l(wèi)星，得到星上的一些狀態(tài)，如何去控制衛(wèi)星�！辨隙鹨惶栃l(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師饒偉說，這就需要測控系統(tǒng)確保跟蹤完整，測量準(zhǔn)確和指令無誤。
“之前我們的衛(wèi)星最高離地球六七萬公里，現(xiàn)在月球離我們有38萬—40萬公里。這么遠(yuǎn)的距離，信號能量不足。如果增加衛(wèi)星搭載的測控設(shè)備，又受到星上重量和功耗的限制。這就要求衛(wèi)星必須提高自身信號的發(fā)射功率，同時地面要能夠低靈敏度接收。”孫澤州說。
饒偉介紹說，為了保證38萬—40萬公里遠(yuǎn)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(wèi)星來保證測控信道余量。
“地面測控系統(tǒng)方面，由于我國尚未建成深空測控網(wǎng)，測控系統(tǒng)首次采用了現(xiàn)有的用于載人航天的S頻段航天測控系統(tǒng)(USB)和中國科學(xué)院的甚長基線干涉天文測量系統(tǒng)(VLBI)的綜合測量技術(shù)，解決繞月探測工程‘測控距離遠(yuǎn)、測量精度高’的技術(shù)難題。”饒偉說。
為提高嫦娥一號衛(wèi)星測控覆蓋率，測控系統(tǒng)與歐洲空間局和智利圣地亞哥站開展國際聯(lián)網(wǎng)合作，使測控覆蓋率達(dá)到98%以上。
為確保準(zhǔn)確接收科學(xué)數(shù)據(jù)，除為USB系統(tǒng)新建兩個直徑18米的測控天線，還研制了我國口徑最大的兩面數(shù)據(jù)接收天線，也就是北京密云新建的直徑50米天線和昆明新建的40米天線，前者天線有680多噸重，鍋蓋足有6個籃球場大。
三十八萬公里探月路
衛(wèi)星帶1.2噸推進(jìn)劑;在空間多次變軌調(diào)整； 能否沿預(yù)定軌道飛行是關(guān)鍵
“月球離地球的平均距離為38萬公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們幾十年近地空間的活動范圍。除了距離遠(yuǎn)以外，還從二體運(yùn)動變成了三體運(yùn)動�！崩@月探測工程總設(shè)計(jì)師孫家棟院士認(rèn)為，整個“嫦娥”奔月過程中，能否順利沿著預(yù)定軌道飛行，是重中之重。衛(wèi)星起飛以后，在近地空間主要受地球引力的影響，當(dāng)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(wèi)星長距離飛行同時，月球也要運(yùn)動很長一個距離，種種因素都帶來了軌道設(shè)計(jì)、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，因此這個軌道與常規(guī)的地球軌道設(shè)計(jì)有所不同，要考慮到月球引力場等新的因素，并且還要設(shè)計(jì)好飛往月球和被月球捕獲的交匯過程�！辨隙鹨惶栃l(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師孫澤州介紹說，軌道難點(diǎn)主要體現(xiàn)在變軌方面。
“嫦娥一號”送入到地球超同步衛(wèi)星軌道后，在繞地、地月飛行過程中會有多次變軌�！爸圆扇《啻巫冘�，一方面是能通過多次變軌在時間上騰出精確調(diào)整的余地；另一方面也可以節(jié)省燃料�！睂O澤州說。
“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(zhuǎn)，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，很寬的話要花費(fèi)很多的推進(jìn)劑。由于推進(jìn)劑有限，因此軌道的每個環(huán)節(jié)都要設(shè)計(jì)好，這也是我們對發(fā)射日、發(fā)射時、軌道運(yùn)行要求都非常嚴(yán)的一個主要原因�！崩@月探測工程總指揮欒恩杰說。
繞地球飛行過程中，對“嫦娥一號”主要采用了調(diào)相軌道的設(shè)計(jì)思想，就是在衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動過程中等待月球飛過來，再進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。調(diào)相軌道可以使衛(wèi)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。“選擇什么樣的軌道，是調(diào)相軌道還是直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過比較，最終確定了現(xiàn)在的方案�！睂O澤州說。
“軌道的設(shè)計(jì)過程有一些特點(diǎn)�！睂O澤州說，要把地月轉(zhuǎn)移軌道和調(diào)相軌道分段設(shè)計(jì)，再進(jìn)行拼接，最終要求是到達(dá)環(huán)月軌道。然后再倒推什么時候從地球進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，以及星箭分離等參數(shù)。這種拼接的思想是第一次嘗試做。科學(xué)家們對軌道做了大量的反復(fù)演練計(jì)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”還會遭遇到“熱問題”，需經(jīng)歷地球、奔月、月球及月食等多種熱環(huán)境。
“以前的衛(wèi)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。”饒偉說，但月球本身的熱環(huán)境我們并不了解。而外部的熱環(huán)境會影響到星上的熱環(huán)境，同時嫦娥一號衛(wèi)星本身設(shè)備的工作模式比較復(fù)雜，星上一會兒熱一會兒冷，使得熱控問題很突出。
“嫦娥一號衛(wèi)星兩個小時左右繞月球轉(zhuǎn)一圈，一小時有太陽照著，一小時被月亮擋住太陽。在太陽照著月亮的地方，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(dá)到300攝氏度。但所有的儀器、工作狀態(tài)都要適應(yīng)這種變化。”歐陽自遠(yuǎn)說。
在一年的工作壽命期內(nèi)，“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間均在3小時左右。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(shè)備的低溫耐受能力提出了更高要求。為確保能安全度過兩次月食，衛(wèi)星針對月食工況進(jìn)行了充分試驗(yàn)。
“目前月表環(huán)境的輸入條件，我們認(rèn)為已經(jīng)突破了。對于星上工作模式復(fù)雜的情況，研制過程中也安排了幾次大型實(shí)驗(yàn)，都是很長周期的，模擬月表環(huán)境，模擬在軌所有的可能，來驗(yàn)證星上溫度能不能控制住。實(shí)驗(yàn)結(jié)果都滿足要求�！别垈フf。
無人參與
星際旅行會否迷航
同地球衛(wèi)星相比，嫦娥一號衛(wèi)星面對的情況更加復(fù)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，包括奔月飛行過程在內(nèi)，“嫦娥一號”整個的變軌控制就靠制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。在環(huán)月以后，衛(wèi)星需要保持載荷對月觀測，完成科學(xué)任務(wù)，同時驅(qū)動太陽翼展開并對日定向來獲得能源，控制定向天線對地定向，保證科學(xué)數(shù)據(jù)能可靠傳輸?shù)降孛嫔蟻�。這些定向也須依靠制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。 “不管是奔月還是環(huán)月，對制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)都提出了很多新的要求，必須去解決這些問題。”衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師葉培建說。
“地球的衛(wèi)星只要兩個軸就夠了，所有的儀器對準(zhǔn)地球，太陽能帆板對準(zhǔn)太陽，兩個對準(zhǔn)了就可以干活。月球探測不行，必須所有的儀器對準(zhǔn)月亮，通訊天線要時刻對準(zhǔn)地球，帆板要對準(zhǔn)太陽，也就是所謂的三體定向�！崩@月探測工程月球應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽自遠(yuǎn)說，難點(diǎn)在于太陽、地球、月亮都在轉(zhuǎn)動，衛(wèi)星也在動，這幾個角度沒有時刻對準(zhǔn)，衛(wèi)星根本就無法工作。
為此，“嫦娥一號”的制導(dǎo)、導(dǎo)航控制包含了兩個關(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，也對將來的深空探測有用。
“地球因?yàn)橛芯鶆虻募t外輻射，能用紅外地平儀直接獲得衛(wèi)星對地球的姿態(tài)，但月球沒有均勻的紅外輻射，就不能用常規(guī)的紅外地球敏感器來測量。”嫦娥一號衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師顧問李鐵壽說。
“另一個關(guān)鍵技術(shù)是，為了傳輸科學(xué)探測信息，我們需要一個不同于以往衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸天線�！� 李鐵壽說，以往衛(wèi)星的姿態(tài)相對于地球是不動的，現(xiàn)在需要有一個可以轉(zhuǎn)動的天線，來使天線指向始終對地�！斑@是一個新的技術(shù)，在過去的衛(wèi)星上還沒有用過。” (記者 余建斌)
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