中国探月工程大揭秘：嫦娥一号探测器，揭晓月球全貌(八)

欧美一些国家，已经捷足先登。我们将迎头赶超，中国有句古话，好饭不怕晚！虽然我们启动时间上，确实晚于欧美，技术上也落后不少。但是，我们并不是与欧美一争高下，我们要的是扎实的基础建设，稳扎稳打地走好每一步。毕竟，我们确实起步较晚，需要筹备的工作较多。因此，我们还是按照我国探月的既定方案，扎扎实实地做好每一步计划任务。2007年10月24日18时05分，嫦娥一号在西昌卫星发射中心升空，正式拉开了中国探月工程的序幕。这也标志着，我国位列全球第五位，继俄罗斯、美国、日本和欧洲之后，独立发射月球探测器的国家。嫦娥一号和嫦娥二号的任务是完成月球的详查拍照，对月球表面进行探测，对月表月貌形态进行分析研究。

为什么在这个时间发射呢？因为这个时间段，是最佳的火箭发射窗口期，发射嫦娥一号探测器，需要使用火箭把探测器送入地球轨道。然后，探测器再利用自身的推力，把自己送到月球的轨道附近，被月球轨道成功捕获。那么火箭在发射时，就要选择良好的发射窗口，也就是运载火箭发射的时间范围，窗口宽度有宽有窄，宽的以天计算，窄的只有几十秒钟，甚至为零。最佳的发射窗口，首先必须在地球与月球处于相对位置的时区内，地球与月球之间的位置在不停地变化，如果错过这个时段，发射窗口和飞行路线也将随之改变。“嫦娥一号”采用“零窗口”的发射方案，即在预先计算好的发射时间段内火箭分秒不差地点火升空。不但，能保证火箭发射任务的成功率，还能最大限度地节省火箭燃料的消耗。

我们平时仰望的星空，总是感叹！一轮明月照九州，神话传说浮心头，圆如银盘弯似钩，千百年来难相守。嫦娥一号是我国诞生的第一颗探月卫星，它携带X射线谱仪、CCD立体相机、紫外敏感器、星敏感器、微波定标天线、微波观测天线、S频段全向天线等。航天专家经过多伦的方案筛选，最终选定用成熟的卫星平台，再装上环月飞行所必需的设备，满足在短时间内，以较低的成本实现这一目标。当然，面对卫星的设计，航天科学家们，必须解决六大科学难题。下面我们来详细说明：

第一难题：面对卫星平台的研制与选型，由于嫦娥一号探测器，在奔月途中，需要进行多次变轨，所以嫦娥一号就必须具备，足够的轨道变换能力。嫦娥一号绕月探测卫星，只能借鉴成熟的东方红三号卫星平台为基础，进行研制与适应性改造。最终采用立方体造型，这样可以在立方体的多面上，安装更多的探测仪器，另外对称的两侧，可以各有一个太阳翼，为嫦娥一号上的仪器，提供更好的用电保障，在绕月探测的过程中，至少健康的工作1年时间。

第二难题：解决探测器三体定向的问题，一般的人造地球卫星只需同时进行两体定向，即卫星上的太阳翼对准太阳，以保证获取足够的光照，并产生更多的电能，而卫星上的有效载荷则对准地球，以完成遥感或通信任务。但嫦娥一号的探测目标是月球，不仅要保证，携带的科学仪器对准月球进行探测，双侧的太阳翼，还要对准太阳，保证有足够的电能，为载荷仪器提供电力保障。同时还要将卫星的定向天线对准地球，从而使嫦娥一号探测器，在限定时间内，把自身工作状态信息和科学仪器的探测结果，及时发回地球。

第三难题：紫外敏感器工作状态，由于月球没有大气层，月面不可能存在稳定的红外辐射带。地球上的红外敏感器，不适用于月球。对月面不同物质、不同地形的反射特性进行分析后发现，月球具有稳定的紫外线辐射。因此，嫦娥一号采用紫外敏感器，对月球进行探测。所以，必须根据月球自身的条件。为人月球探测器，研制出了月球紫外敏感器，利用探测紫外光谱来获得月面信息，经过进一步处理可以得到探测卫星的状态数据。

第四难题：探测器的进热控设计，一般地球卫星内部的温度保持在-10℃至45℃的范围内即可。月球的环境与地球环境差异巨大，由于月球表面不存在大气层，且受太阳的影响较大，表面温度变化极大，有太阳照射时月面温度可达130℃，而此时的背阴面温度却低至-190℃，所以“嫦娥一号”奔月和绕月飞行的过程中会受到太阳、月球等影响，外部环境非常复杂。“嫦娥一号”上搭载了许多有特殊热控要求的仪器，对热控制的要求极高，为了保证各探测仪器工作正常，我们专门为“嫦娥一号”量身定制了一套“冬暖夏凉”的“保温服”，即特殊的新型热控分系统，可实现热环境下散热、冷环境下保暖。

第五难题：应对月食阶段的难题，月食是射向月球的光线被地球挡住时发生的现象，当“嫦娥一号”进入月食范围内时，太阳翼无法供电，只能由蓄电池单独供电，同时卫星温度会迅速下降。“嫦娥一号”卫星的设计寿命是1年，在寿命期内，它不可避免要经历两次月食，每次月食持续的时间是3小时左右。为了解决月食对“嫦娥一号”的影响，进入月影时，各分系统都设置了最小工作模式，以减少电能损耗；出月影时，在功率许可的情况下，地面控制人员需调高热控分系统的补偿加热功率，保证“嫦娥一号”尽快升温。

第六难题：地月轨道设计，地球以29.79千米/秒的速度绕着太阳公转，地球上的生物之所以没有被甩向太空，是因为地球引力的作用。但是，地球引力也成了我们探测月球，首先要克服的一大难题。月球距离地球的平均距离约38万千米，“嫦娥一号”要飞向遥远的月球，成为绕月飞行的月球卫星，必须用大推力运载火箭，从地表加速摆脱地球引力。到达月球附近后，利用航天器自身的发动机，返向工作以降低相对速度，进入月球轨道，开始绕月飞行。

综合考虑地球引力、月球引力、经济性等约束条件，我国探月工程最终选择“长征三号甲”运载火箭作为“嫦娥一号”的运载火箭。“嫦娥一号”设计的奔月之路分为4个阶段，即停泊轨道段、地月转移轨道段、月球捕获轨道段和环月长期运行轨道段。停泊轨道是按中心体不同，分为地球停泊轨道、月球停泊轨道和行星停泊轨道。地球停泊轨道是发射月球探测器、登月载人飞船、空间探测器和离地球较远的人造地球卫星的一个阶段，用于选择进入过渡轨道的入轨点，以弥补地面发射场地理位置固定的缺点，满足过渡轨道的要求。月球和行星停泊轨道用于选择进入轨道的起点，以保证航天器降落在天体表面的指定地区。

嫦娥一号的停泊轨道，是在进入最终地月转移轨道前，所采用的临时性的轨道。“长征三号甲”运载火箭，所提供的是近地点200千米、远地点51000千米的大椭圆形轨道，而地月之间的平均距离，约384000千米，为了将卫星送到这样远的距离，“嫦娥一号”在进入地月转移轨道前，经历了一段绕地球飞行的停泊轨道，卫星在停泊轨道上，利用自身的推进系统进行了3次近地点轨道机动，逐步抬高远地点后进入地月转移轨道。由于“嫦娥一号”第一次近地点变轨后，停泊轨道的周期为24小时的整数倍。因此，它的近地点每隔24小时，都会出现在中国上空。它多绕了3天，就相当于在原地等了3天，等待月球运行到一个最佳的位置上。这个轨道设计本身，就是为了增大实施地月转移控制的保险系数。如果“嫦娥一号”提前1天发射，它在地月转移轨道上多转1圈，就可以在同样的条件下奔向月球；如果推迟1天发射，只要在停泊轨道上少转1圈就可以了。

长征三号甲运载火箭，圆满完成了任务，把搭载的“嫦娥一号”卫星，精准地送入了预定轨道。接下来的任务，靠“嫦娥一号”自己去完成。中国航天历次飞行控制任务，均属于对绕地球飞行的卫星控制，最远距离不过8万千米。而“嫦娥一号”最远的飞行距离，达到了41万千米，这是一次漫长、艰险而又充满挑战的太空之旅。飞控中心的飞控团队，竭尽全力在为它保驾护航。卫星从38万千米外传回的电磁信号的强度只相当于近地轨道传回信号的百万分之一。而且，“嫦娥一号”携带天线的最大发射功率只有20瓦，微弱的信号混杂在各类空间复杂的电磁噪声中，给测控设备跟踪和飞控任务带来了很大困难。在当时的条件下，主要靠喀什12米测控站、青岛10米测控站、圣地亚哥9米测控站及欧洲航天局国际联网测控站完成飞控工作。为了提高测轨精度，飞控中心首次引入了甚长基线干涉测量技术测轨子系统。

“嫦娥一号”正式踏上奔月之路前，需要在地球停泊轨道进行4次轨道控制。第一次控制在远地点点火，将近地点高度从约205千米抬高到600千米，并将近地点调整到国内测控区的上空，为后续“三级跳”3次近地点加速做好铺垫。前两次近地点调相控制先将远地点高度由5.1万千米抬高到7.2万千米，再抬高到12.1万千米，轨道周期由16小时调整到48小时，为地月转移做好了准备。地月转移轨道，就是卫星从地球向月球飞行的轨道。从理论上讲，从地球到月球存在无数条可能的轨道，而其中消耗能量最小的轨道只有一条，轨道设计正是要找出这样的最佳轨道。因此，“嫦娥一号”进入地月转移轨道入口的时机以及运动状态，特别是位置和速度等因素非常关键。如果时机不对，“嫦娥一号”将无法找到月球，从而不能和月球相会；如果速度过大，“嫦娥一号”也将错过月球，无法进入月球引力作用的范围；如果速度过小，“嫦娥一号”就会像中途抛锚的汽车，无法摆脱地球引力的束缚到达月球。

“嫦娥一号”每次远地点的奔跃都在刷新中国航天器的高度，也在使飞控人员的心跳加快。针对轨道控制发动机可能出现的故障，他们准备了多套应急预案。发动机未按时开机怎么办？发动机推力过大或过小怎么办？飞控人员要梳理这些故障发生的原因和卫星的控制逻辑，事前准备几十组备用参数，一旦上述故障发生，及时选择相应的参数上注，才能为卫星进入地月转移轨道保驾护航。2007年10月31日17时25分，经过8圈的绕地飞行，“嫦娥一号”来到地月转移轨道的入口，490牛发动机点火，783秒后，第三次近地点加速控制完成，“嫦娥一号”启程飞向月球，114小时后到达。2007年11月4日，距离第一次近月制动只剩10小时，实时定轨的结果显示，定轨误差突然开始变大，轨道精确度下降。轨道确定是整个飞控的基础，如果不能解决定轨问题，近月制动的精度便不能保证，难道“嫦娥一号”要迷失在太空中了吗？我们下次继续。