“嫦娥二號”深空行

□ 新華社記者 田兆運 本刊特約記者 李筱梅

2011年6月9日15時30分，北京航天飛行控制中心。

在經(jīng)過8個多月的太空飛行圓滿完成各項工程目標和科學探測任務之后，“嫦娥二號”衛(wèi)星再次成為舉世關注的焦點。

與去年國慶節(jié)發(fā)射升空所不同的是，這次她將要在地面飛控中心的控制下，飛離月球，奔向更加遙遠的深空，去開展人們所賦予她的新拓展性試驗任務。

17時10分，在北京航天飛行控制中心的精確控制下，“嫦娥二號”衛(wèi)星成功飛離月球，踏上了奔向遙遠深空的探索之旅，為世人留下了一個美麗的背影。

大涼山深處嫦娥衛(wèi)星再啟航

月球，這是距人類生活的家園——地球最近的星體。在創(chuàng)造并流傳了數(shù)千年的嫦娥奔月神話傳說之后，中國航天科技開始將目光瞄準了這個充滿著人類浪漫遐想的星球。

繼上世紀90年代末中國最高決策層批準上馬載人航天工程之后，被稱為“嫦娥工程”的探月工程順利獲得批準立項。按照工程規(guī)劃，項目將分為“繞”、“落”、“回”三期，計劃在2020年前依次完成繞月探測、落月探測和無人采樣返回。

與美國、俄羅斯等國不同，中國在探月與深空探測上起步較晚，走的是一條從中國實際出發(fā)的自主探月和深空探測的道路。

2007年10月24日，“嫦娥一號”衛(wèi)星從位于大涼山深處的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空，正式踏上了奔月之旅。2009年3月1日，在圓滿完成一期的工程目標和探測任務后，“嫦娥一號”衛(wèi)星在地面飛控中心的控制下受控撞月，為其奔月之旅畫上了圓滿的句號。

在“嫦娥一號”任務中，不僅完成了具有國際先進水平的全月球影像圖，還獲得了月壤、月表微波輻射和近月空間環(huán)境的大量數(shù)據(jù)，這些成果已經(jīng)確定將免費供全球科學家使用，這無疑顯現(xiàn)出中國人為國際宇航界貢獻了自己的一份力量。

作為探月二期工程的先導星，為盡可能減少國家投入，“嫦娥二號”衛(wèi)星盡可能地繼承和利用了“嫦娥一號”備份星可以繼承和利用的成熟產(chǎn)品和技術。但由于工程目標和科學目標的調(diào)整，“嫦娥二號”衛(wèi)星的技術狀態(tài)也有不少新變化。

首先，“嫦娥二號”在奔月軌道和環(huán)月運行軌道上不同于“嫦娥一號”。其將直接由運載火箭送至地月轉移軌道進行奔月，這樣既可以更好地節(jié)約衛(wèi)星所攜帶的燃料，同時也可以縮短衛(wèi)星到達月球的時間。在環(huán)月運行軌道上，“嫦娥二號”主要運行在100千米的圓軌道和近月點15千米、遠月點100千米的橢圓軌道上，這樣便可以更好地探測月球表面環(huán)境，驗證“嫦娥三號”關鍵技術，并對“嫦娥三號”備選著陸區(qū)進行高分辨率成像。

其次，對有效載荷進行了較大調(diào)整和完善?！版隙鸲枴比∠嗽€陣立體相機和成像光譜儀，新增了高分辨率CCD相機，旨在獲取更高分辨率的月球表面三維影像，分辨率由“嫦娥一號”衛(wèi)星的120米提高到優(yōu)于10米，在近月點15千米處甚至達到1米。

第三，新增了技術驗證分系統(tǒng)，包括X波段測控子系統(tǒng)、視頻子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理單元三部分，主要用于實現(xiàn)星地X頻段測控體制驗證，并試驗降落相機和小型化、低耗能設計等相關技術，為二期工程進行先期驗證和技術儲備。

“嫦娥二號”衛(wèi)星任務的最大難點，同時也是最大看點，就是降低環(huán)月軌道，對月球虹灣地區(qū)進行高分辨率照相，盡可能多地驗證“嫦娥三號”探測器的關鍵技術，以降低其成功落月的風險。

嫦娥二號任務測控系統(tǒng)組成示意圖

2010年10月1日18時59分57秒，在新中國成立第61個國慶日，億萬個中國家庭通過中央電視臺新聞聯(lián)播的直播畫面，目睹了“嫦娥二號”衛(wèi)星從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心冉冉升空，直插云霄的壯觀場景。

繞飛月球完成預定試驗獲多項突破

“嫦娥二號”衛(wèi)星發(fā)射升空后，經(jīng)過奔月、近月制動、繞月飛行、降軌控制等多個關鍵環(huán)節(jié)，開始在環(huán)月工作軌道上運行。北京航天飛行控制中心通過分布在中國境內(nèi)的測控站和國外測控站的跟蹤測控，保證了衛(wèi)星分別在100千米×100千米的圓軌道和100千米×15千米的橢圓軌道進行高分辨率成像和環(huán)月探測。

在對衛(wèi)星的長期管理過程中，北京航天飛行控制中心始終堅持嚴慎細實的工作作風，嚴密組織每日管理工作，認真監(jiān)視衛(wèi)星工作狀況，精心實施各項控制，對衛(wèi)星實施了多次飛行姿態(tài)轉換、軌道維持，兩次控制衛(wèi)星降低軌道，對虹灣區(qū)成功實施了低軌高分辨率成像，按計劃完成了包括月球兩極區(qū)域在內(nèi)的全月面成像為主的各項科學試驗任務。

在環(huán)月飛行期間，衛(wèi)星系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和地面應用系統(tǒng)精心組織開展了各項探測工作，嚴密監(jiān)視衛(wèi)星工作狀態(tài)?！版隙鸲枴毙l(wèi)星在軌運行狀態(tài)良好，完整獲取了7米分辨率的月球表面三維影像數(shù)據(jù)，并且一直按計劃持續(xù)開展4項科學目標的探測活動。

中國探月工程總設計師吳偉仁表示，“嫦娥二號”衛(wèi)星成功發(fā)射和在軌運行期間，按計劃完成了各項科研試驗任務，在多個領域取得了預期的試驗成果，獲得了多項突破性成就。

一是突破了運載火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至地月轉移軌道的發(fā)射技術?！版隙鹨惶枴笔窍劝l(fā)射到地球附近的過渡軌道，再經(jīng)過自身多次調(diào)整進入奔月軌道；而“嫦娥二號”衛(wèi)星則由運載火箭直接送入近地點200千米，遠地點約38萬千米的奔月軌道，這樣效率更高。

衛(wèi)星飛行軌道示意圖

嫦娥二號在軌飛行示意圖

歐洲空間局

二是試驗X頻段深空測控技術，初步驗證深空測控體制?！版隙鸲枴比蝿诊w行測控首次驗證了我國新建的X頻段深空測控體制。相比“嫦娥一號”任務中使用的S頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)，X頻段無線電傳輸信號頻率更高，遠距離測控通信效果更好。

三是驗證了100千米月球軌道捕獲技術。相比“嫦娥一號”在距月面200千米處被月球捕獲，“嫦娥二號”在距月面100千米處進行制動，飛行速度更快，軌道更低，制動量更大，同時月球不均勻重力場對衛(wèi)星軌道的攝動影響也相應增大，大大提高了對衛(wèi)星制動控制精度的要求。

四是驗證100千米×15千米軌道機動與快速測定軌技術。“嫦娥二號”驗證了100千米×15千米軌道機動與快速測定軌技術，測試將飛行軌道由100千米圓軌道調(diào)整為遠月點100千米、近月點15千米的橢圓軌道的能力。

五是試驗了全新的著陸相機，數(shù)據(jù)傳輸能力大幅提高?！版隙鸲枴痹黾优渲昧私德湎鄼C，以檢驗對月成像能力，為“嫦娥三號”月面軟著陸做準備。數(shù)據(jù)傳輸速率也由“嫦娥一號”的3兆每秒翻倍為6兆每秒，還將進行12兆每秒的傳播速率試驗。

六是完成了對“嫦娥三號”預選著陸區(qū)的高分辨率成像試驗?！版隙鹨惶枴贝钶d的CCD相機分辨率為120米，而“嫦娥二號”在100千米圓軌道和100千米×15千米軌道的近月點處，分別對“嫦娥三號”的預選著陸區(qū)進行優(yōu)于10米和1.5米分辨率的成像試驗，分辨率有了很大提高。

中國科學院院士、嫦娥衛(wèi)星總設計師葉培建在近期的一次公開講座中表示，“嫦娥二號”衛(wèi)星所要完成的一個重要任務就是獲取更清晰的月球表面圖。目前全部圖像的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳回，科研人員正在進行數(shù)據(jù)的組合和三維圖像的拼接。如果沒有意外，年底前，這幅目前世界上最清晰的月球圖將公布，分辨率將精確到7米。

“嫦娥一號”曾成功完成了120米分辨率的全月圖。此次根據(jù)“嫦娥二號”傳回的數(shù)據(jù)制作的月球影像圖，分辨率將提高近20倍，月球上的許多細節(jié)將更為具體，將是世界上最清晰的全月圖。

飛向深空開創(chuàng)中國航天新紀錄

按照科技人員的規(guī)劃，“嫦娥二號”的設計壽命是半年時間。在完成各項科研試驗任務之后，衛(wèi)星的命運成為人們關注的焦點。

早在“嫦娥二號”衛(wèi)星發(fā)射之初，她的最終命運大致被設置為三種：一是對月球做補充探測，考慮衛(wèi)星落月；二是飛向更遠的太空，驗證我國更遠宇宙空間的深空探測能力；三是成為地球的衛(wèi)星。

今年4月1日，“嫦娥二號”半年設計壽命期滿，圓滿完成了各項工程目標和科學探測任務。由于衛(wèi)星和星上儀器狀態(tài)良好，軌道控制精確，衛(wèi)星還有不少燃料，經(jīng)過工程指揮部門專家們科學決策，決定讓它開展拓展性試驗任務。

歐洲空間局

上海天文臺VlBI中心

北京航天飛控中心專家周建亮說：“嫦娥二號的拓展性試驗包括三項內(nèi)容：第一項是補全月球南北兩極的圖像，第二項是再次降至近月點15千米軌道高度，對虹灣地區(qū)進行高分辨率的成像；這兩項試驗已經(jīng)在5月23日全部完成。剩下的第三項，也是最重要的一項，就是擇機從月球逃逸，飛往更遠的深空?！?/p>

“嫦娥二號”衛(wèi)星將要奔向的下一個目標是距離地球150萬千米外的第2拉格朗日點。在地球圍繞太陽運轉的軌道面上，一共有5個拉格朗日點。而2號點，在太陽和地球連線的外側，背對著太陽?！版隙鸲枴憋w到第2拉格朗日點，可與太陽和地球間的相對位置保持不變，所受天體引力影響也將減到最小，處于真正的失重狀態(tài)，可以進行更多的探測和實驗。

據(jù)專家介紹，飛往日地拉格朗日L2點這一試驗任務主要包括三個飛行階段：月球逃逸段、轉移飛行段、平動點環(huán)繞段。衛(wèi)星從100千米環(huán)月軌道上經(jīng)過兩次加速進入轉移軌道，逃逸月球以后，經(jīng)過約3個月左右的轉移飛行，其間要進行約四次的中途修正，才能到達L2點附近，經(jīng)捕獲后環(huán)繞L2點飛行。

在轉移飛行段和平動點環(huán)繞段，將擇機開展遠距離的測控通信、平動點的軌道控制，同時在這個階段還要擇機開啟太陽風離子探測器、太陽高能粒子探測器、X射線譜儀和伽馬射線譜儀四臺有效載荷，獲取科學探測數(shù)據(jù)。

“嫦娥二號”衛(wèi)星飛往L2點要實現(xiàn)的目標分為兩方面：技術試驗目標和科學探測目標。技術試驗目標包括實現(xiàn)從月球到日地L2點的軌道轉移及L2點的環(huán)繞飛行以及驗證150萬千米遠距離的測控能力。

科學探測的兩個目標分別是：在日地L2點開展地球遠磁尾帶電粒子探測；對可能出現(xiàn)的太陽X射線爆和宇宙伽馬爆進行觀測。

國防科工局的有關專家表示，這項任務的實施遵循三個原則：合理使用剩余燃料，盡量延長衛(wèi)星的壽命；優(yōu)先保證衛(wèi)星安全，全力爭取試驗的成果；首先實現(xiàn)技術試驗，同時深化科學探測?！氨热缯f第一點要盡量延長衛(wèi)星壽命，因為我國現(xiàn)在有兩個深空測控站正在研制，在衛(wèi)星堅持一年半到明年年底前的時候，就可以具備測控執(zhí)行任務的能力，在嫦娥三號執(zhí)行任務之前可以充分對這兩個測控站進行驗證?！?/p>

北京航天飛行控制中心“嫦娥二號”衛(wèi)星測控系統(tǒng)副總設計師周建亮說：“我們從未到過150萬千米這么遠的距離，現(xiàn)在的月球探測也只是到40萬千米左右的地方，所以對測控、通信、數(shù)據(jù)傳輸、軌道設計都要經(jīng)過驗證，表明我國在深空探測領域又向前邁進了一步?！?/p>

“距離遠會帶來很多的問題：信號的衰減使測控的難度大大增加?！敝芙琳f，“因為嫦娥二號本身不是為這項任務設計的，而且現(xiàn)在屬于超期服役，我們只能充分利用嫦娥二號的在軌資源?，F(xiàn)在為了做這個事情，幾乎把它的能力挖掘到了極限，沒有太多的余量處理各種異?；蛘唢L險，這對于衛(wèi)星控制的成功率、可靠性都提出了很高的要求。”

根據(jù)工程總體的統(tǒng)一部署，探月與航天工程中心組織衛(wèi)星系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和地面應用系統(tǒng)制訂了縝密的試驗方案。

國防科工局有關負責人表示，此次拓展性試驗具有軌道新、距離遠、飛行時間長、準備時間短等特點，面臨著很大的風險和挑戰(zhàn)，其最終的試驗成果將進一步驗證我國深空探測關鍵技術，深化科學探測，獲取更多創(chuàng)新成果，并為探月工程后續(xù)任務乃至深空探測的開展奠定堅實基礎。

烏魯木齊25米觀測站

歐洲空間局庫魯站