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1 嫦娥一号完全中国制造 研制团队平均不到30岁

    所有的一切都是利用中国自己的技术、自己的产品、自己的设计、自己的条件完成的。“嫦娥一号”,完完全全的“Made in China”

    西昌卫星发射中心,我国自行研制的长征三号甲运载火箭于10月24日18时5分托举着“嫦娥一号”卫星顺利升空。

    至此,中国航天一座新的里程碑式重大工程——绕月探测工程成功拉开序幕。

    从论证到立项

    2000年11月22日,中国政府首次公布了航天白皮书——《中国的航天》,明确了近期发展目标中包括“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”。

    2001年,由航天科技集团公司高级技术顾问孙家栋院士牵头,国防科工委组织航天科技集团公司、中国科学院、总装备部有关单位等,正式启动月球探测工程的相关论证工作。航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院作为中国空间技术的主力军,率先展开月球探测卫星方案的论证工作。

    诞生了东方红一号、神舟系列飞船的中国空间技术研究院,充分利用我国应用卫星研制成功的经验和成果,最大限度地采用经过飞行试验检验的卫星平台及相关分系统的硬件和软件,通过两年多的艰苦会战,设计出结合了东方红三号卫星平台与中国资源卫星特点,又具备多项新技术的“嫦娥一号”卫星方案,并顺利完成了奔月、探月的关键技术攻关。

    从1994年国家组织相关专家对开展月球探测的必要性、可行性进行初步分析和论证,到2004年2月25日国防科工委正式宣布中国月球探测工程“嫦娥工程”正式实施,前后共有包括航天科技集团公司专家在内的50多名院士、150多位专家参加了探月工程的论证和实施准备工作。这些前期大量的分析论证和方案设计工作,为日后三年内如期完成探月计划奠定了坚实的基础。

    2004年1月23日,温家宝总理批准绕月探测工程立项,我国月球探测工程全面启动。作为“‘绕’、‘落’、‘回’”三步走的第一步,一期工程就是研制和发射探月卫星“嫦娥一号”。

    “嫦娥工程”总体对“嫦娥一号”卫星提出的目标是:精确变轨、绕月飞行、有效探测、一年寿命。

    在研制中,为实现多次轨道机动和在各种复杂的环境下卫星能够可靠运行,工程技术人员遵循和贯彻了一系列可靠性设计原则,采用了大量的相关技术,极大地增强了卫星的可靠性。

    首先,尽可能地简化设计。本着简单实用可靠的原则,“嫦娥一号”卫星在初样设计中,尽量简化系统配置,减少硬件和软件的数量和规模。

    其次,坚持了技术的继承性和产品的通用化、系列化和组合化的“三化”原则,最大限度地采用了“三化”产品或经过空间飞行考验的硬件、软件和成熟技术。部件的选择继承了许多卫星的成熟部件,并根据“嫦娥一号”卫星的特殊应用做了适应性修改和优化设计,实施了新技术必须经过验证的做法。

    第三,进行了冗余和容错设计。采取充分和合理的硬件和软件的冗余和容错设计,提高了系统的可靠性。

    第四,进行了耐环境的设计等。

    实现多项技术跨越

    “嫦娥一号”卫星是绕月探测卫星工程五大系统的核心部分。在总设计师叶培建、副总设计师孙泽洲的带领下,“嫦娥”团队的攻关成果来之不易。

    国际上走在深空探测最前沿的国家,进行月球探测的第一步往往选择“撞”或者“掠”,就是利用撞向月球或者从月球身边掠过的时间,对月球进行基本的探测,在掌握了月球的一些基本数据后再进行绕月飞行。而“嫦娥一号”卫星起点选择“绕”!

    对一个距离地球38万多公里远的从未到过的天体,如何去?怎么去?要让“嫦娥”跨越如此遥远的距离顺利奔向月球,研制人员先后攻克了卫星轨道设计、大幅度提升远距离测控技术、如何克服月食影响等多项技术难关。

    怎样才能选择一条既精准又合适的地—月转移轨道,并在异常复杂的太空环境下调整、维持和优化轨道呢?按照设计方案,“嫦娥一号”卫星发射后先在三个调相轨道运行几天,轨道周期分别是16、24和48小时,之后再奔月而去,并在抵达月球前“急刹车”,在绕月轨道上围绕月球极地轨道作三次轨道调整后进入预定工作轨道。整个飞行过程要经历调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道和环月工作轨道几个阶段。

    轨道设计方案诞生是艰苦而具有决定性的。月球探测器运动的全过程要涉及三体问题,即使是最简单的三体问题,历代天文学家和数学家的潜心研究至今也未找到工程上可用的分析解。有关专家找到了1960年代美国在着手“阿波罗”登月计划时,两位学者对地月转轨问题所作的一篇奠基性的论文,无奈论文只给出了结果但未给出算法方面的任何信息。经过反复的讨论和无数次的计算,他们终于找到了一种数值方法原则上可以达到任意精度的有效方法,可以复现美国学者所获得的结果。在此算法基础之上,他们利用简化的三体运动的模型对于地月转轨进行全局性的研究,其结果对于“嫦娥一号”卫星的轨道设计起了决定性的作用。

    另一个需要攻关的轨道问题是关于调相轨道的设计。在把卫星送入地月转移轨道时,国外常用的做法是由运载火箭直接来完成这个任务。考虑到担任发射任务的长征三号甲运载火箭和东方红三号卫星平台的实际情况,系统工程室采用了一种新的做法,火箭只把卫星送到地球同步转移轨道或者更高的超同步轨道,之后卫星依靠自身的推进系统进一步加速达到月球附近。“嫦娥一号”卫星是世界上实践这种探月方式的第一颗卫星。

    从距地7万公里到地月38万公里的距离,卫星各类信号面临着严重衰减的问题。而现状是,我国测控站只能支持略大于地球同步轨道卫星的高度,如何大幅度地提升远距离测控技术是要解决的另一关键。测控数传分系统设计方案确定过程非常艰苦,负责这一课题的人员日夜攻关,对方案一次又一次的论证、修改,最终的方案设计拥有不少独到之处,确保了“嫦娥一号”能够把宝贵的科学探测数据稳定可靠地传回地面。其中,大角度机械扫描定向天线是首次被采用。

    在各种方案已经基本确定的情况下,2005年上半年,我国气象部门预测到,“嫦娥一号”在一年的寿命期内不可避免地需经历两次月食!

    这又是一个巨大的考验!月食发生时,太阳光被挡住,周围变得异常寒冷,卫星是依靠太阳能供电工作,如果温度太低,卫星上的仪器将有可能冻结,无法工作。实际上月球表面的热环境也十分复杂,这些都将对卫星的供电能力、热控的维持能力,星上状态设置的准确性和最小功耗模式的稳定性造成巨大影响。这一切意味着,在仅余的两年时间里,必须通过各种补充试验来设法提高“嫦娥一号”的生存能力和可靠性。科技人员从攻关论证入手,全面分析各种不确定性因素,改进了相关分系统的设计,对关键环节进行了专项试验验证,对卫热设计和数管软件进行了修改和完善,使卫星能够抵御住巨大的冷热温差。

    可以奔月,可以耐受高温严寒,还必须具备一颗可靠灵敏的心脏,这颗心脏就是卫星制导导航与控制系统,简称GNC系统。其中,紫外敏感器是本次GNC系统的一个亮点,是我国首次在卫星上使用。紫外月球敏感器是一全新的具有国际水准的设备,在150°大视场光学设计、复杂月像处理并提取姿态信息及整机地面试验与验证等方面均有所创新,产生了若干项自主知识产权。装配了各种敏感器的GNC系统可以自主地指挥卫星做出各种动作,也可以按照地面站的指令让卫星在太空中也能按照人们的意图工作。

    “嫦娥工程”一期工程将创造中国航天器史上多个第一的纪录:第一个进入月球轨道的航天器;第一次在飞行中实现至少8次变轨的航天器;第一次使用紫外敏感器进行姿态确定的航天器;第一次实现远程测控通信的航天器等。

    长征火箭不辱使命

    发射“嫦娥一号”卫星的长征三号甲运载火箭,由中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院研制。

    “长三甲”与探月工程的渊源颇深。也许人们想象不到,长三甲的研制者是最早明确提出探月设想的团队之一。这里面有个小故事。1993年,长征三号甲火箭正在研制,准备于次年初进行第一次飞行试验。此时,第一次飞行试验还没有明确的有效载荷,于是火箭总设计师龙乐豪等想到是否可以用它来进行探月的尝试,把一个东西打到月球上去,在月球上第一次留下中国人的印记。这样既试验了火箭性能,又为探月开了路,岂不一举两得?这个建议在内部会议上被提了出来,然而终因缺乏可行性而没有得到批准。十多年后,长三甲火箭果真承担起发射我国第一颗绕月探测卫星的重任。

    长三甲火箭从一开始研制就制定了较高的技术指标。为了实现这些指标,研制人员在方案论证阶段提出百余项新技术项目,其中重大新技术项目约30项,关键技术4项。随着研制工作的逐步深入,又提出了一些新的课题,到1993年3月,重点新技术项目总数为41项。这些新技术不但代表着当时国内的最高水平,许多项目还赶上或超过了世界航天大国的技术水平。其中重大技术关键项目有4项,即:大推力氢氧发动机;动调陀螺四轴平台技术;冷氦加温增压技术;低温氢气能源双摆伺服机构技术。重点新技术有41项,这些新技术为火箭整体技术目标的实现提供了保证,同时,四大关键技术的确立,形成了整个火箭研制的主攻方向。经过8年攻关,上述技术先后都被突破。

    为了执行“嫦娥一号”卫星发射任务,火箭研制人员对长征三号甲作了适应性改进,应用了5项科技创新项目。它们分别是:长征三号甲系列火箭远距离通用测试发控系统总体设计;控制系统系统级冗余技术研究与应用;三级氢氧发动机校准试车后不分解技术研究与应用;激光惯性测量组合技术研究与应用;可靠性增长项目应用。

    十多年来,长三甲火箭先后多次发射,次次成功,取得了100%成功。这一次,长三甲火箭再次不辱使命,圆满完成了发射任务,准确地把“嫦娥一号”卫星送入了预定轨道。

    年轻的事业,年轻的团队

    “嫦娥一号”卫星副总指挥龙江,34岁。

    “嫦娥一号”卫星副总设计师孙泽洲,37岁。

    “嫦娥一号”卫星总体主任设计师饶炜,36岁。

    “嫦娥一号”研制团队平均年龄不到30岁。这是一支那么年轻的团队!

    要实现“精确变轨,绕月飞行,首飞成功,一年寿命”的探测工程目标,年轻的嫦娥研制团队在充分利用现有卫星研制成果的同时,更针对月球探测卫星的新特点,集思广益开拓进取,短短3年多来先后攻克了轨道设计、月食问题、两自由度数传定向天线研制、卫星热设计、制导/导航与控制分系统设计、测控数传分系统设计、紫外月球敏感器、数管分系统设计等一系列技术难题,拿下了一大批具有自主知识产权的核心技术。

    按照中央“高标准、高质量、高效率地完成绕月探测任务”的指示,“嫦娥一号”卫星研制团队狠抓质量管理。在卫星研制的过程中,他们周密计划、大力协同,对所有单机、分系统和系统总体的设计都要进行全面复查复审、反思、质疑,每个环节都要进行拉网式的、从最小单元开始的复查复审,反思存在的差距和薄弱环节。整个嫦娥研制队伍上下一心,把每一项复查工作都深入到研究室工程组一级,确保“嫦娥一号”卫星不带问题出厂、不带问题转场、不带隐患上天和在轨稳定运行。

    除了继承已有的经验,完成型号质量工作中的一系列“规定动作”,如复核复算与复查、严格质量归零、认真评审、关键件及关键项目控制等,他们还针对卫星可能发生的意外情况,提前做好了84项故障预案与对策,对每个可能出现的故障都进行了预先的模拟,做足了解决方案。根据“嫦娥”的飞行特点,飞控分系统在发射前进行了大量飞控准备,在地面建立了一整套地面支持系统。这一套1:1的地面系统从卫星发射的第一秒起就能够实时模拟卫星运行情况,一旦卫星在天上发生意外,在地面就能够一目了然运筹帷幄,在第一时间同步发现故障。

    测控也是“嫦娥一号”卫星质量的一个关键问题,为了确保测控的安全和可靠,研制队伍对所有要求测控的地方都进行了对接。这个由二三十岁年轻人组成的对接试验队在叶培建院士带领下跋山涉水,奔赴全国各地的站点以及德国等地进行测控工作。他们带着二十多个沉重的设备箱,沿途搬运装卸,在一天之内从祖国最西边的新疆辗转赶到鱼米之乡的苏沪,无论是苦战在乌市早晚二三十度温差的南山牧场上,还是耐受着华东三十多摄氏度的桑拿天;无论是工作在条件较好的屏蔽间内,还是奋战在正在检修、条件艰苦的测控船上,每当到达一个新的目的地时,不管有多晚,有多累,大家放下行李后的第一件事,就是把设备展开进行检查。

    三年磨一剑,中国空间技术研究院“嫦娥”研制队伍为卫星健康奔向月宫打下了坚实的基础,也向世人展示了深空探测人才的智慧与品格。

    与实施载人航天工程一样,月球探测是一个国家综合国力的体现,是航天技术发展水平的象征,是提升国家地位的载体,更是一个国家科学技术发展水平的重要标志。

    中国航天科技集团公司总经理、绕月探测工程领导小组副组长马兴瑞说,利用“嫦娥一号”卫星,我国将成为世界上第一个绘制立体月球地图的国家。国际上已有多个版本的平面月球地图,但立体的只有两幅,且做得不完整。“嫦娥一号”卫星将通过对月球表面进行全月面三维立体照相,绘制出完整细致的立体月球地图。由于目前国际上还没有覆盖真格月面的影像,如果我国获取全月面三维影像,将能够更好地了解月球表面的基本地貌、地质构造、演化历史。我国要争取比国外已有的此类图像做得更完整、更精细,从而获知为未来登陆月球提供参考数据。

    据介绍,中国还将首次利用微波辐射来测量月壤厚度,并估算月壤中氦-3的分布和资源量。还将对月球表面的其他有用元素进行探测,并初步编制各元素的月面分布图。之前美国已经做了5种有用元素的全球性分布与含量探测,“嫦娥一号”要把元素探测的范围扩大到14种。此外,“嫦娥一号”卫星将首次探测远至4万至40万公里间的空间环境。更难能可贵的是,在这宏大的系统工程中,所有的一切都是利用中国自己的技术、自己的产品、自己的设计、自己的条件完成的。“嫦娥一号”,完完全全的“Made in China”!

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作者:aymi 2007/10/27 18:48:51 | 回复楼主 举报 TOP

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