探月工程专家解析“嫦娥二号”远征难点

2011-8-31 10:31 来源: 科技日报
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  奔月难,奔向150万公里深空更难。嫦娥二号卫星奔赴拉格朗日L2点(以下简称L2点)的这次旅程,无疑是中国航天史上距离最远的一次“跨越”。在这背后,有多少前所未有的困难?

  近日,专家对“嫦娥二号”此次远征遇到的难点进行了解析。

轨道设计:须兼顾日、地、月三大引力场

  “从4月1日‘嫦娥二号’圆满完成既定任务,到6月9日飞离月球、奔向深空,需要短短两个月时间内设计出全新的轨道方案,这是个很大的挑战。”嫦娥二号卫星主任设计师黄昊说。

  此项轨道设计的复杂程度也大大提高。

  “首先,这是个复杂的多天体引力场轨道设计。”他说,对于地球卫星而言,轨道设计时只涉及一个引力场,即地球;月球探测卫星的轨道,则要考虑地球和月球两个引力场,以及其间的拼接过程。而这次轨道设计,除地、月外,还必须兼顾考虑太阳的引力场。

  同时黄昊表示,L2点非常敏感,对卫星入轨时的位置、速度要求非常高,稍有偏差就会出现失误,导致卫星飞向更远的深空,或是飞回地球。因此整个飞行轨道都必须经过精确的规划和设计。

  此外他还介绍说,L2点是个不稳定点,在环绕飞行阶段,卫星只要受到任何一点扰动都可能会漂离,这也给轨道设计精度提出了更高要求,同时也可能面临多次轨道修正。

远距离跨越:测控能力几乎挖掘到极限

  “L2点轨道的最远端离地球大约有172万公里的距离,这使测控通信的难度大大增加,几乎把能力挖掘到极限。”“嫦娥二号”任务测控系统副总设计师周建亮说。

  同时他表示,卫星已经经过了最远端,测控系统成功经受了最大距离的考验。

  周建亮介绍说,当卫星到达距地球170多万公里的地方时,观测延时由绕月时的5秒延长到约30秒,尽管星上设备发射功率已开到最大,信号仍近乎衰竭。

  对此,测控系统采取了多种应对措施。

  周建亮说,以前地面天线采用自动跟踪方式,通过接收卫星信号,自动跟随卫星转动。“现在信号太弱,自动跟踪已经不可靠,于是我们改用数字引导方式,从地面预报卫星位置,控制天线进行精确跟踪。”

  此外,研究人员也对相关系统和软件进行了升级改造。

  “后续我们还有一些手段,比如降低码速率、改变编码方式等,还能进一步提高测控通信能力。”周建亮说。

长时间旅程:卫星飞得比汽车还慢

  从地球到月球,“嫦娥二号”用了112小时,而从月球到达L2点,它却用了77天。

  “到达L2点选择有很多,但考虑到卫星所剩燃料有限,最终选择了一条消耗能量最低的轨道。”周建亮说。

  他介绍说,“嫦娥二号”进入月球轨道时,速度达到每秒11公里,而飞往L2点途中,卫星速度最低时仅为每秒31米左右,比高速公路上的汽车还慢。

  “卫星设计之初,并未考虑到要执行这样的任务,现在剩余的燃料,都是因前期的精准控制而节省出来的。”周建亮说。

  据介绍,零窗口发射、精准的测控,使卫星节省了大量燃料。就在飞往L2点的过程中,原计划实施3至4次轨道中途修正,也因高精度的控制而节省,仅于6月20日实施了一次就达到了预期目标。

  为了节省燃料,测控系统选择了让“嫦娥二号”低速飞行,因为速度越快,“刹车”时的消耗就越大。

  不过从目前来看,“嫦娥二号”暂无“断炊”之忧。周建亮表示,卫星在L2点轨道绕飞到明年年底,需要每秒96米的速度,而剩余的有效燃料可供卫星达到每秒130米的速度,尚有一定余量。

超期服役:星上有效载荷将面临考验

  “‘嫦娥二号’的设计寿命只有半年,现在早已超过,而且未来还将工作一年多时间,这对卫星仪器设备的可靠性、实际能力都将是一个考验。”黄昊说。

  周建亮介绍说,该卫星发射前,测控系统已制定了104项故障预案。现在针对卫星测控距离远、超期服役等特点,也已准备了新的对策。

  “‘嫦娥二号’飞往日地L2点,可以说是我国航天领域的又一个重大跨越,成为世界首个直接从月球轨道飞赴日地L2点的航天器,标志着我们在轨道设计、飞行控制、测控、通信方面的技术有了突破,也是我们国家第一次进行一次发射、执行多个任务、多个目标深空探测的一次有益尝试。”探月工程副总指挥吴志坚说。