嫦娥二号向深空挺进

2011-9-21 08:55 来源: 科学时报
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  严俊坐在中国探月工程地面应用系统运控大厅里,桌上摆了一个闪闪发亮的卫星模型。此刻,这位探月工程首席科学家和他心爱的嫦娥二号,相隔150万公里。

  6月9日,嫦娥二号卫星飞离月球,飞往日地拉格朗日L2点,开始了新的使命。

  在人类127次探月活动中,嫦娥二号不是最早的一次,却是走得最远的一次。而对于中国航天人来说,他们也从未如此近距离触摸自己的理想。

  新的征程

  经历77天的漫长旅程后,嫦娥二号于8月25日抵达日地拉格朗日L2点李萨如环绕轨道。

  拉格朗日点是法国数学家拉格朗日于1772年发现的。在天文学上,它是指两个天体的万有引力和离心力保持平衡的点。理论上,每个这样的双天体系统中,都存在5个拉格朗日点,即L1、L2、L3、L4和L5。而L2点是指两个天体的连线上,位于较小天体一侧的稳定点。

  “嫦娥二号选择L2点,是因为L3、L4和L5距离较远,而L1点离太阳近,容易受到太阳的干扰。而L2又是距离火星最近的一个拉格朗日点,能够为将来的火星探测打一些基础。”嫦娥工程测控系统VLBI分系统总设计师、中科院上海天文台研究员张秀忠告诉《科学时报》记者。

  “我们的既定目标是探索地月、近月空间环境,现在又扩展到宇宙深空环境。”对严俊等科学家来说,让嫦娥二号进行“长途拉练”的决定,不仅让这颗卫星成为世界上第一个直接从月球飞到L2点的航天器,也为他们的科学研究带来了更多令人兴奋的可能。

  在飞往L2点的途中,嫦娥二号的部分有效载荷获取了相应飞行弧段的科学数据。这些数据已于9月15日下传。

  9月16日,太阳风离子探测器、高能粒子探测器开机,而X射线谱仪、γ射线谱仪和微波探测仪等有效载荷也陆续开机,开始对L2点进行科学探测。根据目前的计划,它们将为科学家获取到地球远磁尾150万公里处的三维离子能谱数据、高能粒子数据、X射线数据、γ射线数据,并有望探测到太阳耀斑爆发的软X射线和宇宙γ爆数据。

  严俊称,嫦娥二号在L2点的科学探测任务有望实现4个目标。第一,探测L2点低能离子能谱,研究地球远磁尾结构、日冕物质抛射事件在行星际演化的动力学过程;第二,探测太阳高能粒子,研究空间高能粒子辐射环境;第三,探测太阳耀斑X射线,研究耀斑爆发物理机制;第四,探测宇宙辐射背景,积累宇宙背景基础数据。

  新的挑战

  嫦娥二号飞往L2点执行拓展任务后,中国成了继美国和欧洲空间局之后,第3个对日地拉格朗日L2点进行探测的国家。对中国的航天事业来说,这是一大步。这一步的背后,凝聚着众多科学家夜以继日的工作。

  熬夜几乎成了嫦娥工程地面应用系统总设计师李春来的家常便饭。嫦娥二号的每一字节数据,都要通过地面应用系统来接收。

  月地距离是38万公里,但L2点李萨如环绕轨道到地球的距离为115万~175万公里,距离增加到原来的近4倍。“说实在的,我们还是第一次接收这么远的数据。”李春来坦言,拓展任务给他们出了不小的难题。

  距离越远,信号衰减就越严重,数据的传输速率也越低。为此,李春来和他所供职的中科院国家天文台工作人员进行了大量测算和测试实验,对地面接收系统进行了优化和噪声控制,校准了接收天线的指向,并通过降低带宽实现数据接收,提高了地面系统数据接收的能力和精度。

  然而,由于嫦娥二号上的7个有效载荷都是针对月球探测任务设计的,在L2点上,CCD相机、激光高度计都无法正常工作,无法满足所有有效载荷同时开机探测的需求。

  为能最大限度获取空间环境探测数据,地面应用系统通过地面飞行仿真分析,对γ射线谱仪、太阳风低能离子探测器等有效载荷制定了合理的开机策略和工作模式。

  “我们地面应用系统的主要任务,就是要对有效载荷进行管理和指挥,还要把嫦娥二号的所有数据都收回来,供科学研究使用。”

  从去年10月到今年6月,8个多月的时间里,嫦娥二号发回了3.4T的原始数据,而各级衍生出来的科学数据共达到11T。“无论从数量还是质量上看,嫦娥二号的数据获取工作都比一号要好。希望在科学家的努力下,会有更多、更好的科学成果产出。”李春来相信,在工程各系统大力协同下,嫦娥二号在L2点也会干得不错。

  不变的保障

  在嫦娥二号任务执行过程中,测控系统肩负着“看得见、测得准、控得住”的重要职责,而每一次轨道修正、调整、变化都会消耗不少燃料。

  想节省燃料,卫星的每个动作都需要“精打细算”。张秀忠告诉记者,嫦娥二号奔月过程中,原计划的3次轨道修正只进行了一次,就准确将卫星送上了绕月轨道。这为嫦娥二号节省200多公斤燃料,使今天的深空拓展任务成为可能。

  张秀忠的“秘诀”就是VLBI(甚长基线干涉测量技术)。它通过分布在不同地点的多台望远镜在同一时刻观察同一个点,以获得延迟率和卫星的角位置,进而实现对卫星的精确定位。

  在嫦娥二号从月球飞往L2点的过程中,原计划要进行4次轨道修正,然而使用USB(测距测速数据定轨)+VLBI联合测距测速技术后,工程人员只在6月20日对嫦娥二号进行了一次修正,就使卫星成功进入L2点运行轨道。

  嫦娥二号的VLBI测轨工作由北京、上海、昆明和乌鲁木齐的4架射电望远镜,以及位于中科院上海天文台的VLBI指挥中心共同完成。“信号的衰减是距离的平方,因此,如果失之毫厘,就会差之千里。”张秀忠说,“但有了VLBI,我们就可以做到精密测角,进而实现5公里精度的定轨。”

  在L2点工作期间,VLBI测轨分系统每周执行两次测轨任务,以进一步验证USB+VLBI技术的可靠性。“随着距离的增加,VLBI的优势将更为明显。现在我们已经证明,VLBI不但可以应用于探月工程,在未来的深空探测中,这项技术也将发挥重要作用。”

  届时,借助嫦娥二号的翅膀,中国人的太空梦想又将飞向何处?