中新網(wǎng)6月22日電 中國第一顆探月衛(wèi)星嫦娥1號目前正按計劃進行研制。衛(wèi)星各關(guān)鍵技術(shù)已獲得突破性進展，初樣星的研制工作進展順利。它將在未來兩年內(nèi)用長征3號甲運載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。對于這次世人矚目的探月行動，業(yè)內(nèi)權(quán)威雜志《中國航天》刊載長文，對這次浪漫新奇之旅進行了全方位的解讀。
科學(xué)與工程目標(biāo)
中國探月衛(wèi)星工程有四大科學(xué)目標(biāo)：
一是獲取月球表面三維立體影像，從而劃分月球表面的基本地貌和構(gòu)造單元，初步編制月球地質(zhì)與構(gòu)造綱要圖，為后續(xù)優(yōu)選軟著陸區(qū)提供參考依據(jù)。目前世界上還沒有覆蓋整個月面的影像；中國如能獲取全月面三維影像，對于更好地了解月球的地質(zhì)構(gòu)造和演化歷史有著重要的意義。中國將爭取比國外已有的此類圖像做得更完整、更精細。
二是分析月面有用元素含量和物質(zhì)類型的分布特點，即對月面有用元素進行探測，初步編制各元素的月面分布圖。美國已做了5種有用元素的全球性分布與含量，嫦娥1號將探測月面鈦和鐵等14種可能有開發(fā)利用前景的重要元素的分布特點和規(guī)律。
三是探測月壤特性。中國將首次開展月面的微波輻射探測，獲取月壤厚度的全月分布特征，研究月表年齡及演化，估算月壤中氦3的分布和資源量。目前月球上已知礦物有100多種，其中有5種連地球上都沒有。尤其是氦3。它是一種安全、高效、清潔的新型核聚變?nèi)剂�，可改變�(nèi)祟惿鐣哪茉唇Y(jié)構(gòu)，但在地球上十分罕見。每100噸氦3原料足可以解決全球一年的電力供應(yīng)，而月球上的氦3儲量據(jù)估算有500萬噸，可滿足人類1萬年以上的供電需求。每克黃金價值11美元，而每克氦3是400美元。月球潛在礦產(chǎn)資源和能源的開發(fā)利用前景，已成為各主要航天國家組織重返月球和開展月球探測的最主要動力。
四是探測地月空間環(huán)境，將記錄原始太陽風(fēng)數(shù)據(jù)，研究太陽活動對地月空間環(huán)境的影響。
上述前三項工作國外還未曾進行過，第四項為中國首次在地球靜止軌道以外獲取空間環(huán)境數(shù)據(jù)。
中國探月衛(wèi)星工程還有五大工程目標(biāo)：一是研制和發(fā)射中國第一顆探月衛(wèi)星；二是初步掌握繞月探測基本技術(shù)；三是首次開展月球科學(xué)探測；四是初步構(gòu)建月球探測航天工程系統(tǒng)；五是為月球探測后續(xù)工程積累經(jīng)驗。為此要突破月球探測衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)；初步建立中國的深空探測工程大系統(tǒng)；驗證有效載荷和數(shù)據(jù)解譯等各項關(guān)鍵技術(shù)；初步建立中國深空探測技術(shù)研制體系；培養(yǎng)相應(yīng)的人才隊伍。
工程計劃表
據(jù)透露，嫦娥1號工程于2004年9月以前完成工程總體和各系統(tǒng)的詳細方案設(shè)計；2005年底完成探月衛(wèi)星初樣產(chǎn)品研制和相關(guān)試驗；2006年10月前完成探月衛(wèi)星正樣產(chǎn)品的設(shè)計、研制、總裝、測試和各項試驗，完成運載火箭正樣投產(chǎn)任務(wù)，完成測控和發(fā)射場系統(tǒng)技術(shù)改造和調(diào)試任務(wù)，完成地面應(yīng)用系統(tǒng)組裝和調(diào)試任務(wù)；力爭2006年12月發(fā)射升空。
嫦娥1號衛(wèi)星方案具有較好的繼承性，設(shè)計的功能和技術(shù)性能指標(biāo)滿足任務(wù)要求；衛(wèi)星總體與各分系統(tǒng)之間、衛(wèi)星與各大系統(tǒng)之間接口要求明確，大型試驗項目安排及試驗方案合理可行；研制技術(shù)流程完整，計劃流程合理可行；衛(wèi)星進行了可靠性和安全性設(shè)計，可靠性關(guān)鍵項目明確，測試覆蓋性分析的項目完整，因此已轉(zhuǎn)入初樣階段的研制工作。
嫦娥1號衛(wèi)星按方案完成初樣試制后，將進入初樣試驗階段。初樣產(chǎn)品將對設(shè)計、工藝和方案進行實態(tài)驗證，進一步完善方案，為飛行試驗產(chǎn)品研制提供全面、準(zhǔn)確的依據(jù)，為發(fā)射星奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
在工程的具體實施上，嫦娥1號工程系統(tǒng)由月球探測衛(wèi)星、運載火箭、發(fā)射場、測控和地面應(yīng)用等五大系統(tǒng)組成。
日趨穩(wěn)定的平臺
眾所周知，人造衛(wèi)星由衛(wèi)星平臺與有效載荷兩部分組成。嫦娥1號也不例外。
該探月衛(wèi)星的平臺以中國已成熟的東方紅3號衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)進行研制，并充分繼承中國資源2號衛(wèi)星和“中巴地球資源衛(wèi)星”等的現(xiàn)有成熟技術(shù)和產(chǎn)品，進行適應(yīng)性改造。所謂適應(yīng)性改造就是在繼承基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，包括突破一批關(guān)鍵技術(shù)，例如三維定向技術(shù)，即使衛(wèi)星的太陽能電池板、探測頭和傳輸信息的天線分別時刻對準(zhǔn)太陽、月亮和地球。這樣一個三維控制系統(tǒng)過去是沒有的，技術(shù)難度相當(dāng)高。另外，在地球、月球和衛(wèi)星三者間進行探月衛(wèi)星的軌道設(shè)計和紫外月平儀的研制等也都需要開展技術(shù)攻關(guān)。
選用東方紅3號衛(wèi)星平臺主要是由于它的高度可靠性。自該衛(wèi)星平臺1997年5月首次投入使用后，中國已用其研制并發(fā)射了“北斗”等至少6顆衛(wèi)星。該衛(wèi)星平臺采用了許多較先進的技術(shù)，如全三軸穩(wěn)定、統(tǒng)一雙組元液體推進、公用平臺設(shè)計、大面積密柵太陽電池陣和高強度輕重量碳纖維多層復(fù)合材料等。不過，嫦娥1號的衛(wèi)星平臺比一般人造地球衛(wèi)星在軌道，測控，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)和熱控分系統(tǒng)等方面都有自己的獨特之處。
目前，中國航天器所到達的距地球最遠距離約為7萬千米(2003年12月30日發(fā)射的探測1號衛(wèi)星)。而要實現(xiàn)月球探測，須使航天器飛出地球引力場，進入到38萬千米遠的空間。由于月球以及月球與地球、太陽的相對關(guān)系具有其固有的特點，因此嫦娥1號衛(wèi)星與一般的地球衛(wèi)星有很大不同，研制并發(fā)射月球探測衛(wèi)星要解決軌道設(shè)計，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(包括對月姿態(tài)確定技術(shù))，測控與數(shù)據(jù)傳輸，星上熱控和電源分系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)問題。
預(yù)計衛(wèi)星總重2350千克，本體尺寸2000毫米×1720毫米×2200毫米，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，對月定向工作。衛(wèi)星在軌運行壽命大于1年。
任務(wù)決定載荷
根據(jù)中國探月衛(wèi)星工程的四大科學(xué)目標(biāo)，嫦娥1號選用的有效載荷有6套24件，包括CCD立體相機、激光高度計、成像光譜儀、伽馬/X射線譜儀、微波探測儀和太陽風(fēng)粒子探測器等。其中CCD立體相機是拍攝全月面三維影像的專用相機，在中國屬首次使用；成像光譜儀用于獲取月面光波圖譜；伽馬/X射線譜儀用于探測月球表面元素；微波探測儀除用于獲取月壤厚度信息外，還能給出月球背面的亮度溫度圖和月球兩極地面的信息。
由激光器、望遠鏡和接收電路三部分組成的激光高度計，由中科院上海技術(shù)物理研究所研制。它在探月衛(wèi)星的發(fā)射階段和轉(zhuǎn)移階段都處在“睡眠狀態(tài)”。衛(wèi)星進入環(huán)月軌道后，激光高度計首先向月面發(fā)射激光束，并立刻用望遠鏡把反射回來的光束變成電信號；接著，接收電路盒將迅速進行精確計算，用最短時間得出該探測點的月球海拔高度。激光高度計完成繞月旅行，月面每個探測點的海拔高度就一清二楚了。這些數(shù)值一旦與CCD立體相機拍攝的平面圖像相疊加，就是一幅完整而精確的月面三維地形圖。只要激光高度計發(fā)射的探測點足夠密，就能獲得覆蓋整個月球的地形圖，包括人類探月活動從未涉及的月球兩極區(qū)域。
據(jù)探月專家介紹，美國、歐空局、俄羅斯和日本等以前從未在探月過程中使用過可以全天候、全天時工作和具有一定穿透能力的微波遙感技術(shù)，所以嫦娥1號上的微波探測儀是世界上首次在探月衛(wèi)星上裝載微波遙感裝置，用以實現(xiàn)對月面更為細致深入的探測，并將對所發(fā)回的數(shù)據(jù)進行反演和解析。不過，由于月球遠離地球，對月球進行微波遙感探測有很大的技術(shù)難度和一定的風(fēng)險。為確保探測成功和能穩(wěn)定地發(fā)回數(shù)據(jù)，現(xiàn)正加強對月球微波遙感的地面仿真研究，在借鑒以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上做相應(yīng)的技術(shù)改進。
嫦娥1號有效載荷共重130千克。早在2004年1月7日，所有24件儀器就完成了首輪聯(lián)合測試，結(jié)果相當(dāng)成功。測試表明，探測儀器設(shè)計中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題已基本攻克，并解決了設(shè)備間的接口技術(shù)。全部探測儀器于2004年9月交付，并與衛(wèi)星平臺一起進行噪聲、振動、輻射和真空等各種空間環(huán)境的模擬測試。
使用成熟的火箭
按照計劃，長征3號甲被選為月球探測衛(wèi)星的運載火箭，發(fā)射場選在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，但要進行必要的適應(yīng)性改造。
根據(jù)設(shè)計，嫦娥1號的運行軌道近地點為200千米，遠地點為51000千米，屬于大橢圓軌道�；鸺仨毦_地將探測器送入預(yù)定軌道，才能準(zhǔn)確完成預(yù)定探測任務(wù)。為滿足探月衛(wèi)星的特殊要求，長征3號甲火箭控制系統(tǒng)增加了單機和線路備份，確保飛行過程中不出現(xiàn)任何偏差，萬無一失。
選擇長征3號甲主要考慮到它是長征系列火箭家族中發(fā)射成功率最高的成員之一。該火箭擁有更靈活而先進的控制系統(tǒng)，可在星箭分離前對有效載荷進行大姿態(tài)調(diào)姿定向，并提供可調(diào)整的衛(wèi)星起旋速率，具有很強的適應(yīng)性。它主要用于發(fā)射地球同步軌道有效載荷，同時兼顧低軌道和太陽同步軌道等其它軌道有效載荷的發(fā)射，也可進行一箭雙星或多星發(fā)射。
目前執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的長征3號甲火箭已進入試樣研制階段，部分組件和箭體已開始投產(chǎn)。但由于月球探測器尚處于初樣設(shè)計階段，今后研制人員還將根隨著探測器研制的深入，逐步對火箭設(shè)計進行適應(yīng)性修改，預(yù)計將于兩年后出廠。
嫦娥1號發(fā)射時間的選擇要考慮到光照、太陽入射角、測控條件和軌道限制等因素。發(fā)射后，衛(wèi)星將用8～9天時間完成調(diào)相軌道段、地-月轉(zhuǎn)移軌道段和環(huán)月軌道段飛行。在經(jīng)過發(fā)射、飛行和進入預(yù)定軌道等程序后，如何將探測數(shù)據(jù)傳回地面，是工程的技術(shù)難題。
嫦娥1號工程副總設(shè)計師龍樂豪說，通俗一點講，該工程有三大目標(biāo)，即“到得了”、“轉(zhuǎn)得起”和“傳得到”。嫦娥1號從起飛到進入目標(biāo)軌道將多次經(jīng)過中國上空。如地理位置和天氣條件允許，人們有可能用肉眼觀測到現(xiàn)代“嫦娥奔月”的情景。
測控和應(yīng)用系統(tǒng)
由于旅途遙遠，所以測控系統(tǒng)尤為重要。測控系統(tǒng)將以中國現(xiàn)有的S頻段航天測控網(wǎng)為主，輔以甚長基線干涉儀天文測量系統(tǒng)組成，并進行必要的適應(yīng)性改造。
嫦娥1號衛(wèi)星不僅需要對月球進行全天候的觀測，還需要把太陽能電池板始終對準(zhǔn)太陽，同時又要把傳送天線對準(zhǔn)地球。目前，中國在上海佘山和烏魯木齊分別擁有一個直徑25米的天線，但它們只能有4～6小時可用來接收星上信息。為了嫦娥1號計劃的順利實施，中國將分別在北京和昆明設(shè)一個直徑50米(國內(nèi)最大)和一個直徑40米的天線。這樣在我們的國土上，可用4個天線交叉干涉，對近40萬千米遠的嫦娥1號進行測控，并為應(yīng)對外界干擾因素和意外因素留有應(yīng)急的能量。
地面應(yīng)用系統(tǒng)包括月球探測衛(wèi)星運行管理中心、數(shù)據(jù)接收中心以及科學(xué)數(shù)據(jù)處理和研究中心三個部分。
四大難關(guān)
雖然衛(wèi)星和火箭采用成熟技術(shù)，但還是要攻克一些技術(shù)難點。中國航天器已到達的距地球最遠距離為7萬千米，而月球距地球達38萬千米。而且月球以及月球與地球和太陽的相對關(guān)系具有其固有的特點，所以月球探測衛(wèi)星與一般的地球衛(wèi)星有很大不同。
據(jù)權(quán)威人士介紹，研制和發(fā)射嫦娥1號探月衛(wèi)星的技術(shù)難點主要有4點：
一是軌道設(shè)計與控制。它是實現(xiàn)月球探測衛(wèi)星繞月飛行的基本保證。在飛往月球軌道的過程中，月球衛(wèi)星既不能碰著月球，也不能飛過去，因此軌道設(shè)計和控制是一個新問題。必須正確認識月球衛(wèi)星軌道設(shè)計的客觀規(guī)律，尋找合理的工程實施途徑。
二是測控和數(shù)據(jù)傳輸。地月相距遙遠，測控信號的空間衰減明顯增大。同時為實現(xiàn)衛(wèi)星繞月飛行，需經(jīng)歷復(fù)雜的軌道轉(zhuǎn)移過程，其間的測控任務(wù)對星上和地面測控系統(tǒng)提出了更高要求。38萬千米外的探測帶來衛(wèi)星天線怎么設(shè)計和地面站怎么設(shè)計等問題。
三是制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制。月球探測衛(wèi)星從繞地飛行到準(zhǔn)確進入繞月飛行軌道，需經(jīng)歷多次復(fù)雜的軌道和姿態(tài)機動，要求控制精度高和實時性強。衛(wèi)星對地觀測是兩體定向，即太陽帆板對日定向，觀測設(shè)備和測控通信設(shè)備對地定向，以觀測和傳輸信息。而繞月衛(wèi)星是三體定向，即太陽帆板對日，觀測設(shè)備對月，測控通信設(shè)備對地。三體定向問題要復(fù)雜得多。
四是熱控技術(shù)。衛(wèi)星繞著月球轉(zhuǎn)，月球繞著地球轉(zhuǎn)，地球又帶著月球和月球旁的衛(wèi)星繞著太陽轉(zhuǎn)，相對關(guān)系比較復(fù)雜，從而導(dǎo)致繞月衛(wèi)星的熱變化巨大。而我們只能給嫦娥1號穿一件“衣服”，不能換。這件“衣服”要做到熱的時候不熱，冷的時候不冷，這是個難題。由于要經(jīng)歷復(fù)雜的熱環(huán)境，熱控技術(shù)必須適應(yīng)復(fù)雜的外部溫度變化，以保證星上所有設(shè)備處在正常的工作溫度范圍。
不過，上述4個技術(shù)難點，在目前的中國航天技術(shù)范圍內(nèi)都能采取有效措施加以解決。
飛行三階段
為確保發(fā)射成功，中國決定采取多級推進的方式將月球探測衛(wèi)星送入月球軌道。按照方案，衛(wèi)星在和運載火箭分離后，將先在地球軌道上運行3～4圈，逐步加速到地-月轉(zhuǎn)移軌道的入口速度，隨后沿大橢圓軌道飛向月球。
具體飛行程序大致分為三個階段：一是調(diào)相軌道段。衛(wèi)星與運載火箭分離后，通過3次近地點變軌脫離地球軌道，進入奔向月球的地-月轉(zhuǎn)移軌道。二是地月轉(zhuǎn)移軌道段。衛(wèi)星要在該階段飛行5～6天，其間會進行2～3次中途修正，以確保正確進入預(yù)定月球軌道。三是環(huán)月軌道段。當(dāng)衛(wèi)星到達距月球200千米位置時，開始減速制動，通過3次近月點制動逐步降低軌道近月點，最終到達高200千米的極月圓軌道，進入正常工作狀態(tài)。從發(fā)射到進入環(huán)月工作軌道，共約約8～9天。衛(wèi)星將繞月運行1年，對月球的地質(zhì)、土壤、環(huán)境和資源進行探測。目前衛(wèi)星設(shè)計飛行速度為每秒十幾千米。這一速度還可進一步提高。
由于月地距離遙遠，衛(wèi)星將采用一種特殊的雙自由度定向天線。
回顧中國探月工程
1994年，中國曾組織相關(guān)專家對開展月球探測的必要性和可行性進行過初步分析與論證，認為中國已有能力開展月球探測，但由于各種原因，探月計劃未能啟動。
當(dāng)時中國已啟動了載人航天工程，要在長征2E火箭的基礎(chǔ)上發(fā)展載人航天用的長征2F火箭，但該火箭首次發(fā)射什么載荷引起了大家的討論。有人提出用有限的資金發(fā)射一顆月球探測衛(wèi)星，并提出一個簡易的月球探測方案。但最后這個方案未能實現(xiàn)，主要原因是當(dāng)時對探月尚未提出一個完整的發(fā)展規(guī)劃，缺乏長期和有深度的科學(xué)探測目標(biāo)，同時當(dāng)時國家的經(jīng)濟環(huán)境剛剛好轉(zhuǎn)，航天基礎(chǔ)還不像今天這樣扎實，只能做到簡單的環(huán)月飛行，對國家科技發(fā)展貢獻有限。
從1998年開始，在著名天體化學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽自遠先生的倡議下，相關(guān)研究單位和部門組織許多相關(guān)專家與研究人員對開展中國月球探測的可行性和必要性以及科學(xué)目標(biāo)進行了系統(tǒng)的分析與研究，先后向相關(guān)主管部門提交了《中國月球探測發(fā)展戰(zhàn)略研究》和《月球資源探測衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)》等論證報告。
2000年8月，在國防科工委的組織下，由王大珩等9位院士和總裝備部、航天科技集團、科技部、中科院和高等院校的5位專家組成評審組，對中國科學(xué)院提出的“月球資源探測衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)與有效載荷”進行了論證評審。
2001年成立了由中國科學(xué)院相關(guān)單位組成的專家研究小組，在此基礎(chǔ)上開始了一些關(guān)鍵技術(shù)(如有效載荷)的攻關(guān)和地面應(yīng)用系統(tǒng)等的研究工作。
2001年10月，中國月球探測計劃項目立項。2002年3月向國家提交“月球資源探測衛(wèi)星工程可行性”的立項報告。
2004年1月，中國月球探測一期工程正式啟動，國防科工委任命了中國月球探測工程總指揮、總師和首席科學(xué)家，各項工作進入工程實施階段。
目前，嫦娥1號工程各項準(zhǔn)備工作已進入初樣研制階段，部分系統(tǒng)和分系統(tǒng)已研制出產(chǎn)品�，F(xiàn)有的航天測控網(wǎng)和中國科學(xué)院天文測控網(wǎng)將聯(lián)合為探月衛(wèi)星發(fā)射和運行提供測控服務(wù)。用來接收探月衛(wèi)星發(fā)回數(shù)據(jù)的地面接收系統(tǒng)的基礎(chǔ)工程建設(shè)也基本完成，整個天線架設(shè)工作進展順利。
前景展望
嫦娥1號工程的核心是實現(xiàn)從地球走向月球，充分利用中國現(xiàn)有的成熟航天技術(shù)，研制和發(fā)射月球探測衛(wèi)星，突破地月飛行、遠距離測控通信、繞月飛行、月球遙感與分析等技術(shù)，并建立中國月球探測航天工程的初步系統(tǒng)。
此后將在2010年前向月球發(fā)射無人探測裝置，實現(xiàn)月面軟著陸探測；在2020年前完成采集月壤樣品的工作，實現(xiàn)月面巡視勘察采樣返回。第二和第三階段工作已納入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃，正在進行論證。
根據(jù)預(yù)想，未來第二期計劃將用月球車對月面進行巡視勘察，并擬建立一個月基天文站，借助月球幾乎沒有大氣的便利條件，對太空和地球進行觀測。二期計劃中采用的月球車，將采用全國招標(biāo)的方式來選擇。如果月球車計劃能成功，那么這套方案稍作修改，就可以用到未來的火星探測中去。
月球探測是眾多高技術(shù)的高度綜合，將帶動和促進航天技術(shù)和中國基礎(chǔ)科學(xué)等其它高技術(shù)的發(fā)展，如大推力運載火箭、深空探測、深空測控、光電子、機器人、人工智能、遙科學(xué)、新能源和新材料技術(shù)等。這些高技術(shù)的進步將會在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)等方面得到推廣和運用，產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益，并推進中國航天領(lǐng)域的國際合作。
繞月探測工程總設(shè)計師、中國航天科技集團公司高級技術(shù)顧問、中國科學(xué)院院士孫家棟認為，中國月球探測的主要目的是從科學(xué)的角度去了解月球這個離我們最近的天體，發(fā)展航天工程技術(shù)。隨著月球探測各期工程的分步實施，逐步突破繞月探測關(guān)鍵技術(shù)、月球軟著陸與自動巡視勘測技術(shù)和月球自動采樣與地-月往返技術(shù)，研制和發(fā)射月球探測衛(wèi)星、月球軟著陸器與月球車和月球采樣返回器，建立并逐步健全月球探測航天工程系統(tǒng)，為未來的深空探測活動奠定技術(shù)基礎(chǔ)。隨著工程的進展，中國的航天技術(shù)將得到整體提升，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。(作者：平樹）
