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关注"嫦娥"登月之旅背后的一双双"大手"

2013年12月09日来源:人民日报编辑:陈剑锋我有话说

  图为此前耸立在发射塔架上的火箭与嫦娥三号探测器组合体。 
  宿 东摄

  从12月2日开始出发,到12月中旬落月,目前“嫦娥”一直在征程途中。从发射到奔月,再到环月飞行和最后落月,一双双“大手”为中国航天乃至人类托举起探月壮举。

  为嫦娥“校时”, 航天器的测控时间精度要精准到微秒量级,也就是百万分之一秒

  从12月2日凌晨1时30分发射后,嫦娥三号探测器首次轨道中途修正是在飞行14个小时之后,以更精确地到达目的地。在北京航天飞行控制中心时统机房,电脑屏幕上清晰显示着北京时间、任务时间和北斗时间,这个不足20平方米的机房却关联着整个航天测控网的时间,与普通时钟不同的是,这些时间已经精确到纳秒量级。

  “日常生活中,时间只要精确到秒就足够了,然而在航天任务中,航天器的测控对时间提出了更高的要求,时间精度要精准到微秒量级,也就是百万分之一秒。”北京航天飞行控制中心专家介绍说,就拿这次嫦娥三号任务来说,整个测控网要涉及成千上万台设备,遍布全球各地的测控站和测量船,需要把整个测控网时间同步到一个时钟上,就像打仗的时候,指挥员总是要求大家“对表”,统一时间,只有这样,才能做到作战行动协调一致。因此,高精度的时间统一是任务成败的关键因素。“时统”因此扮演着整个任务的基础和心脏这个十分重要的角色。

  “时间的准确,就决定着位置的准确,决定着飞控任务的精准”。专家介绍说,同时,在对“嫦娥”控制的整个过程中每个发出的指令时间不能有丝毫差错,“嫦娥”向38万公里外的月球高速飞行,要准确控制就需要高精度的时间信号。火箭发射、器箭分离、入轨控制、变轨控制等,都需要“时统”提供准确的时刻标志,如果时统设备出现问题,提供了错误的时间信息,不仅会影响测控的准确性,甚至可能出现“差之毫厘,谬以千里”的情况,会导致整个试验任务失败。

  正如人需要一颗健康的心脏,嫦娥三号探测器也是如此。由中国航天科工二院研制的高精度、高可靠性的晶体元器件,为嫦娥三号提供时频核心,产生如同人体脉搏一样的稳定的频率信号并输送到电子系统各部分,指挥它们按照预先的设计准确运行,相当于打造出一颗稳定跳动的“心脏”。

  精雕细琢一词用在晶体元器件的加工过程中一点都不为过。每一个合格的晶体元器件,其原料石英振子需在20倍、50倍、200倍显微镜下“过关斩将”,其加工环境更是要求苛刻:高洁净度的超净厂房,至少经历3次的超声波或等离子清洗,连封装都需要高真空环境。

  打造高可靠、高性能飞天动力,要推得精、飞得稳、变得妙、落得准

  承担此次嫦娥三号发射和落月任务的长三乙运载火箭发动机和嫦娥三号探测器推进分系统,都由位于中国航天科技集团公司六院研制。

  火箭发动机专家、六院院长谭永华说,面对中国飞行器首次对地外天体进行直接着陆探测的严峻挑战和全新使命,要打造高可靠、高性能嫦娥三号飞天动力,动力系统要既能做到“推得精,飞得稳”,又能实现“变得妙,落得准”。

  嫦娥三号探测器使用我国当前运载能力最大的长征三号乙运载火箭发射,运载火箭系统比发射神舟十号用的长二F运载火箭,增加了一个三子级,该级火箭由两台氢氧发动机和若干台姿控发动机组成。不仅仅意味着托举推力和运载能力的增加,也是性能的进一步优越。

  地月转移轨道,也可称奔月轨道,能否精准稳地将嫦娥三号探测器推举到奔月轨道,取决于火箭发动机。

  嫦娥三号探测器在飞向月球过程中,火箭能否将其精准输送到地月转移轨道,依靠的是氢氧发动机高可靠、高稳定的工作。科研人员通过一系列可靠性增长改进工作,使第三级火箭发动机的状态更加稳定,性能更加优越,使嫦娥三号的奔月旅途飞得更稳。

  其后,嫦娥三号探测器推进分系统进行接力工作,开始漫漫探月和登月之旅。虽然嫦娥一号、嫦娥二号已经完成离月球一二百公里的绕月飞行,但嫦娥三号探测器要把“绕月”变成“落月”,零距离与月球接触,把中国人首次对地外天体的直接探测变成现实,无疑给动力推进系统带来了全新考验。

  与嫦娥一号、二号推进系统相比,嫦娥三号推进分系统是一个全新的动力系统,研制难度、技术要求与控制精度都是前所未有的。其中,在月球表面能否实现软着陆,是嫦娥三号任务的关键中的关键,也是最大的难点。在探测器落月过程中,与月球距离15公里后的落月过程充满了风险与未知,必须对推进系统进行全新的设计研制。

  发动机专家、六院十一所副所长陈炜介绍说,落月过程,也是发动机推力不断变化的过程。传统发动机,无法达到所需的深度节流能力,7500N变推力发动机是专为落月而研制的我国首台可大范围变推力工作能力的液体火箭发动机,可满足完成月球着陆探测器中途修正、近月制动、动力下降、悬停段等软着陆一系列任务。

  “深空巨眼”和“超级手机”, 成为深空探测和探月工程中强大的通讯利器

  无论是飞离地球还是飞到更远的宇宙深空,测控通信系统是维系地球和飞行器之间互相传递讯息的天地“风筝线”。

  在嫦娥三号任务中,首次启用了三个深空探测大“天线”,包括65米的上海站、35米的喀什站、66米的佳木斯站。据搭建这些天地通道的中国电子科技集团公司的专家介绍说,佳木斯66米深空站,是亚洲口径最大、接收灵敏度最高、连续波发射功率最强和作用距离最远的测控系统,这一具备国际先进水平的测控站已成为我国深空及探月工程中最强大的利器,填补了国内深空测控领域的空白,所有核心技术100%自主研发。

  66米站最大的作用是极大地拓展了我国深空探测的作用距离,达4亿公里,不仅让地面站作用距离从地球范围延伸到月球范围,还可以支持火星最远轨道测控,是我国最长的一根“风筝线”。我国现在最远的飞行器是2010年10月发射的嫦娥二号卫星,目前飞离地球6000多万公里,目前只有66米站与其保持着联系。并且,66米站投入后,能在更短的时间就得到更高的精度,它能传输更大的数据量,即可比前两次“嫦娥”任务得到更实时、更丰富的图像等信息。

  同时,66米站的接收灵敏度是手机的1000万倍,是传统测控站的1万多倍。目前,这个66米站的接收灵敏度与世界先进水平的深空站接收相当。今年5月份66米站还受邀与美国、欧空局深空站一起组网完成“金星快车”干涉测量,是我国深空探测领域国际合作的成功范例。余建斌 吴月辉 谢 波

  《 人民日报 》( 2013年12月09日 20 版)
 

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