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月球背面搭“鹊桥”:“嫦娥”奔月再迈一大步

时间: 2018-06-08 02:26:24 | 来源: 21世纪经济报道 | 阅读:

月球背面搭“鹊桥”: “嫦娥”奔月再迈一大步

21世纪经济报道 白杨 北京报道

北京时间5月21日5时28分,中国长征四号丙运载火箭发射升空,与其一起奔向太空的是“鹊桥号”中继星。

作为地球唯一的天然卫星,月球是人类目前探测最多的地外星球。但是,由于月球绕地球公转的周期恰好等于其自转周期,所以月球总有一面背对着地球不可见。此前,人类只通过环绕探测器窥探过这片区域,但从未真正踏足过。

而中国“嫦娥4号”探月任务的目标,就是实现月球背面的软着陆和巡视勘察。不过,因为月球的遮挡,月球背面的探测器无法直接与地球进行测控通信和数据传输,所以在发射“嫦娥4号”之前,需要“鹊桥号”先行升空,来承担接下来“嫦娥4号”与地球的中继通信。

5月21日,长征四号丙运载火箭飞行25分钟后,星箭分离,“鹊桥”被送入近地点高度200公里、远地点高度40万公里的预定地月转移轨道;5月25日21时46分,“鹊桥”成功实施近月制动,进入月球至地月拉格朗日L2点的转移轨道。

据悉,“鹊桥”成功入轨后,将成为世界第一颗连通地月的中继卫星、第一颗地球轨道外专用中继通信卫星,以及第一颗在地月拉格朗日L2点上采用Halo轨道的卫星。

曾参与过神舟、嫦娥等任务的航天专家王伟在接受21世纪经济报道记者采访时表示,看到“鹊桥号”成功发射内心很激动。“因为鹊桥号将创造多个全球首次,所以它在很多环节,尤其是轨道和工程设计上,都需要重新进行设计和论证。而且鹊桥号的成功,也给即将实施的嫦娥4号任务开了一个好头。”

“嫦娥”探月

中国开始筹备月球探测工程的历史最早可以追溯到20世纪90年代,当时主要进行论证工作。直到2004年1月,探月工程正式获批立项,并命名为“嫦娥工程”。

王伟告诉记者,中国的探月工程分为“绕、落、回”三个阶段,现在正处于“落”的阶段。2007年10月,中国第一个月球探测器“嫦娥1号”卫星成功发射并准确进入了环月轨道,意味着探月工程一期的“绕月”目标顺利完成。

紧接着2008年,探月工程二期立项并进入工程实施阶段。二期工程包括“嫦娥2号”和“嫦娥3号”两次任务,主要目标是实现月球的软着陆,以及开展月球表面的探测和勘察任务。

王伟表示,探月工程的每一期都会进行“一主一备”两手准备,这是为了防止出现突发事件而拖延整体计划。因此,探月工程对应“绕、落、回”三个目标设计的实际上是3颗卫星,分别是嫦娥1号、3号和5号,而嫦娥2号、4号、6号则是作为备用卫星。

“比如嫦娥1号和2号,这两个卫星项目是同时开展,包括每一个部件都是研制两套,所以嫦娥1号发射的时候,嫦娥2号也已经制造出来。”王伟介绍说,“当嫦娥1号顺利完成工程目标和科学探测目标后,国防科工局会开始论证嫦娥2号的新目标。”

据记者了解,在已实施完成的探月工程二期中,2010年10月发射的“嫦娥2号”是作为“嫦娥3号”的先导星,用于开展部分技术的先期验证,包括直接奔月轨道、X频段测控以及预选着陆区详察等。在“嫦娥2号”打完头阵后,2013年12月,“嫦娥3号”探测器成功着陆月球预选区,首次实现了中国航天器地外天体软着陆与巡视勘察,同时也标志着探月工程“落月”目标的完成。

2009年,探月工程二期实施的同时,探月工程三期也正式开启,主要是进行“嫦娥5号”的方案论证和研究。到了2011年,三期工程正式立项,任务目标是实现月面无人采样返回。

但探测器返回对探月工程来说,是一个新的挑战,为了提高成功率,在正式发射“嫦娥5号”之前,中国先行实施了月地高速再入返回任务以验证半弹道跳跃式再入的关键技术。2014年10月,月地高速再入返回飞行器发射升空,并于同年11月顺利返回地球,这为“嫦娥5号”任务的顺利实施打下了极为重要的技术基础。

截至目前,探月工程已成功实施了“嫦娥1号”、“嫦娥2号”、“嫦娥3号”以及“嫦娥5号”再入返回试验共计4次任务。接下来,“嫦娥5号”若能成功完成任务,也意味着探月工程“绕、落、回”的三个目标全部实现。

那此次“鹊桥号”中继星服务的“嫦娥4号”任务是什么?如上文所述,当“嫦娥3号”成功完成目标任务后,作为备用卫星的“嫦娥4号”便开启新的方案论证工作。据21世纪经济报道记者了解,国防科工局在已有的探月工程基础上,拟同时实施月球探测后续任务,而“嫦娥4号”便是月球后续任务的第一步,其目标是实现人类首次软着陆于月球背面并开展巡视探测。

“鹊桥”先行

按照规划,“嫦娥4号”工程将由探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用等五大系统组成,其中,探测器系统由着陆器、巡视器和中继星组成。

资料显示,“鹊桥号”中继星是基于CAST100卫星平台研制,其本体为长方体构型,采用板式结构形式,可由锂电池和太阳能板供电。此外,中继星采用了“星敏感器+光纤陀螺”的定姿方式,以及整星零动量控制方式,从而实现对地、对月、对日的三轴稳定控制。同时,“鹊桥”采用单组元推进系统,配置12个5N发动机和4个20N发动机,携带约100kg无水肼推进剂,可提供超过500m/s速度增量的轨道机动能力。

虽然“嫦娥3号”此前已经实现月球正面的着陆工作,但“嫦娥4号”的任务是要降落到月球背面,其难度要远超前者。一位航天专家告诉记者,“嫦娥4号”要在月球背面着陆,需要克服很多难题,比如月球背面地形复杂,这对“嫦娥4号”的导航、控制等提出了更高的要求;同时,“嫦娥4号”将开启月夜工作模式,昼夜温差可达300摄氏度以上,因此还要设计和验证同位素温差电源(RTG)以及热电综合利用等技术。

除此之外,此次发射的“鹊桥号”中继星在轨道选择以及中继模式上也需要进行综合优化。从最终实施的方案来看,“鹊桥”采用了地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道,这也是人类航天器首次涉足该轨道。

据悉,拉格朗日点又称为平动点,是指一个小物体在两个大物体的引力作用下,能相对于两大物体基本保持静止的空间点。在每两个大物体构成的空间中,有5个平动点,分别是L1、L2、L3、L4、L5,其中,L2位于两个物体的连线上,且在较小的物体一侧。

地球和月球的L2平动点位于地月连线的延长线上,距离月球约6.5万公里,距地球约45万公里。一位业内人士向记者表示,地月L2点确实是中继通信的理想地点。首先,中继星在此处可以与月球同步绕地球运行,这意味着中继星能够连续对地球和对月球背面同时可见,从而提供全时段中继服务;此外,地月L2点光照条件好,航天器很少被地球或月球遮挡,同时,此处受地球和月球的影响小,中继星长期运行所需轨道维持量也较小。

不过,由于地月距离会发生变化,所以L2点与月球的距离也有变化,但科研人员通过对使命轨道的设计,只要保证鹊桥号与月球的距离不大于8万公里,便可实现对嫦娥四号着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

既然是中继卫星,“鹊桥”自然也具备同时对地测控数传以及对月中继的工作能力。面向月球着陆器和巡视器,“鹊桥” 顶部安装了直径4.2米的伞状抛物面天线,其中前向链路采用X频段统一载波体制,返向链路采用X频段BPSK抑制载波体制,因此,“鹊桥”对着陆器的返向接收码速率最大为560kbps,对巡视器的返向接收码速率最大为280kbps。

而面向地面测站,“鹊桥”配置低增益螺旋天线,并采用S频段,码速率最大为2000kbps。不过在分时工作模式下,“鹊桥”也可以利用大口径抛物面天线实现X频段对地数据传输,码速率可达1万kbps。

自主“追赶者”

中国对月球的探测其实相对较晚。人类最早开始探测月球是在1958年,当时,美苏之间展开了一场竞争激烈的太空竞赛。

1959年10月,苏联发射的月球3号成功飞掠地球,同时传回首张月球背面的影像;1966年2月,苏联的月球9号成功着陆于月球正面的风暴洋,成为人类历史上第一个成功软着陆于月球表面的探测器;1966年4月,苏联的月球10号成为第一颗成功进入月球轨道的探测器;1969年7月,美国阿波罗11号实现了载人登陆月球;1970年9月,苏联的月球16号完成人类第一次无人机采样返回。

无论是从起步时间,还是技术储备上,中国的探月工程似乎都是一个追赶者,但是,中国近年来在深空探测上取得的成绩,已经引发全球关注。比如2013年“嫦娥3号”任务的成功实施,让中国成为继苏联、美国之后第3个完成月球软着陆的国家。值得注意的是,“嫦娥3号”整个工程的实施仅用了6年的时间,就攻克了多项月球与深空探测的关键技术。

王伟向记者表示,中国在航天领域的自主研发一直做得很好,其自主性与其他领域相比也更为深入。这主要因为航天领域研究的需求都是小批量,不管是元器件,还是整机,只要能满足航天的要求就可以使用,不用去考虑大规模的商用性。同时,王伟还提到,因为美国对于航天技术及元件出口限制的原因,也让中国很早就开始非常注重自主研发,目前,中国航天的核心部件绝大部分都是自主研制。

比如此次发射的“鹊桥”,研制时间只有两年半,其背后依靠的便是庞大的中国航天系统。据悉,“鹊桥号”中继星任务包括工程总体及卫星、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。其中,工程总体由国防科工局探月与航天工程中心承担;卫星、运载火箭分别由中国航天科技集团有限公司中国空间技术研究院、上海航天技术研究院研制生产;发射和测控任务由中国卫星发射测控系统部负责;地面应用系统由中国科学院国家天文台承担。

中国航天科技集团五院嫦娥四号探测器总设计师孙泽洲在接受媒体采访时表示,10多年前,中国人是独立自主、自力更生地发射嫦娥一号的,如今我们的探月任务也为更多国家创造了科学探索的平台。今年,嫦娥四号也将搭载来自德国和瑞典的科研载荷登陆月球背面。

实际上,此次发射的“鹊桥号”就携带了由荷兰研制的低频射电探测仪(NCLE)。据介绍,由于大气层和电离层的干扰,地球上的观测站几乎无法进行低频射电天文观测,而处于月球背面的L2点,可以很大程度地屏蔽这些干扰,从而完成射电天文测量、太阳风暴和行星无线电脉冲探测等一系列天文实验。

商业航天崛起

近两年,一向由各个国家主导的航天计划出现了越来越多民营参与者的身影。国际上,大家比较熟悉的是马斯克创办的SpaceX。目前,它已经开发出可部分重复使用的猎鹰1号和猎鹰9号运载火箭。不仅如此,SpaceX的重型猎鹰运载火箭于今年2月份成功发射,并完成两枚一级助推火箭的完整回收,超强的运载力和较低的发射成本,开始让人们重新审视商业航天公司的价值。

而今年,中国的商业航天也迈出了非常重要的一步。有媒体统计,中国目前已有超过60家民营企业涉足商业航天领域。其中,今年4月5日,由北京星际荣耀空间科技有限公司研制的民营商用运载火箭“双曲线一号S”成功发射;5月17日,重庆零壹空间航天科技有限公司也成功发射一枚命名为“OS-X”的火箭。

事实上,商业航天不只是火箭发射,商业卫星研制与应用才是整个行业的核心。天仪研究院是一家专注于微小卫星研制的商业航天公司,成立2年,已完成3次太空任务,成功发射4颗卫星,其副总裁陈险峰作为一名航天老兵,也见证了中国商业航天的发展。陈险峰告诉21世纪经济报道记者,近些年,国家在航天产业政策上逐渐放开,再加上资本的介入,使得中国的商业航天迎来了发展机遇。

2014年11月,国务院发布的《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》中明确提出,“鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星”;2016年12月,国务院发布的《2016中国的航天》白皮书中则指出,“鼓励引导民间资本和社会力量有序参与航天科研生产、空间基础设施建设、空间信息产品服务、卫星运营等航天活动,大力发展商业航天。”

陈险峰表示,从事航天工作,需要获得很多许可,从大方向上来看,这些许可比以往是开放了很多。但国家的航天系统分工很细,不同部门对应不同的领域,而民营公司所有事情都要独自完成。“道路是清楚的,但走起来还是比较难。”

不仅如此,中国商业航天尚处于起步阶段,其在研发投入等方面都远不及国家航天工程。因此,中国商业航天的发展仍不能脱离国家积累下的航天基础。

在陈险峰看来,商业航天要起到的是一种鲶鱼效应。它可以通过降低成本,缩短研制周期,来形成自己的特色,从而获得竞争优势。“商业航天强调的是性价比,用灵活的方式提供更有效的服务,而不是一定要投入非常高的成本去研发最先进的技术。”

无论是商业航天,还是国家航天计划,它们都将成为中国航天事业发展的重要推动力。“鹊桥”的成功发射,是中国探月工程按照计划顺利实施的一个关键环节。据悉,嫦娥工程按计划分为“无人月球探测”、“载人登月”以及“建立月球基地”三个阶段,当“嫦娥4号”和“嫦娥5号”任务实施完成之后,也意味着中国完成了“无人月球探测”的阶段性目标,进而将开启载人登月的新征程。

不仅如此,中国的行星探测计划也已起步,火星将成为中国深空行星探测的第一站。

(应采访者要求王伟为化名)

新闻标题: 月球背面搭“鹊桥”:“嫦娥”奔月再迈一大步
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