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)星各關鍵技術已獲得突破性進展，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)內權威雜志《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。
科學與工程目標
中國探月衛(wèi)星工程有四大科學目標：
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造單元，初步編制月球地質與構造綱要圖，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構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、清潔的新型核聚變燃料，可改變人類社會的能源結構，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，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：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；三是首次開展月球科學探測；四是初步構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)星的關鍵技術；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)解譯等各項關鍵技術；初步建立中國深空探測技術研制體系；培養(yǎng)相應的人才隊伍。
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)的詳細方案設計；2005年底完成探月衛(wèi)星初樣產(chǎn)品研制和相關試驗；2006年10月前完成探月衛(wèi)星正樣產(chǎn)品的設計、研制、總裝、測試和各項試驗，完成運載火箭正樣投產(chǎn)任務，完成測控和發(fā)射場系統(tǒng)技術改造和調試任務，完成地面應用系統(tǒng)組裝和調試任務；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，設計的功能和技術性能指標滿足任務要求；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計，可靠性關鍵項目明確，測試覆蓋性分析的項目完整，因此已轉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、準確的依據(jù)，為發(fā)射星奠定技術基礎。
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)有成熟技術和產(chǎn)品，進行適應性改造。所謂適應性改造就是在繼承基礎上的創(chuàng)新，包括突破一批關鍵技術，例如三維定向技術，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，技術難度相當高。另外，在地球、月球和衛(wèi)星三者間進行探月衛(wèi)星的軌道設計和紫外月平儀的研制等也都需要開展技術攻關。
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，如全三軸穩(wěn)定、統(tǒng)一雙組元液體推進、公用平臺設計、大面積密柵太陽電池陣和高強度輕重量碳纖維多層復合材料等。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、導航與控制系統(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)星要解決軌道設計，制導、導航與控制(包括對月姿態(tài)確定技術)，測控與數(shù)據(jù)傳輸，星上熱控和電源分系統(tǒng)設計等關鍵技術問題。
預計衛(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。
任務決定載荷
根據(jù)中國探月衛(wèi)星工程的四大科學目標，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，由中科院上海技術物理研究所研制。它在探月衛(wèi)星的發(fā)射階段和轉移階段都處在“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，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難度和一定的風險。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)驗的基礎上做相應的技術改進。
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，結果相當成功。測試表明，探測儀器設計中的一些關鍵技術問題已基本攻克，并解決了設備間的接口技術。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性改造。
根據(jù)設計，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。火箭必須精確地將探測器送入預定軌道，才能準確完成預定探測任務。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)調姿定向，并提供可調整的衛(wèi)星起旋速率，具有很強的適應性。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，逐步對火箭設計進行適應性修改，預計將于兩年后出廠。
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天時間完成調相軌道段、地-月轉移軌道段和環(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，是工程的技術難題。
嫦娥1號工程副總設計師龍樂豪說，通俗一點講，該工程有三大目標，即“到得了”、“轉得起”和“傳得到”。嫦娥1號從起飛到進入目標軌道將多次經(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太陽，同時又要把傳送天線對準地球。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一個直徑50米(國內最大)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，并為應對外界干擾因素和意外因素留有應急的能量。
地面應用系統(tǒng)包括月球探測衛(wèi)星運行管理中心、數(shù)據(jù)接收中心以及科學數(shù)據(jù)處理和研究中心三個部分。
四大難關
雖然衛(wèi)星和火箭采用成熟技術，但還是要攻克一些技術難點。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)權威人士介紹，研制和發(fā)射嫦娥1號探月衛(wèi)星的技術難點主要有4點：
一是軌道設計與控制。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，因此軌道設計和控制是一個新問題。必須正確認識月球衛(wèi)星軌道設計的客觀規(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)歷復雜的軌道轉移過程，其間的測控任務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)星天線怎么設計和地面站怎么設計等問題。
三是制導、導航與控制。月球探測衛(wèi)星從繞地飛行到準確進入繞月飛行軌道，需經(jīng)歷多次復雜的軌道和姿態(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，觀測設備和測控通信設備對地定向，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，觀測設備對月，測控通信設備對地。三體定向問題要復雜得多。
四是熱控技術。衛(wèi)星繞著月球轉，月球繞著地球轉，地球又帶著月球和月球旁的衛(wèi)星繞著太陽轉，相對關系比較復雜，從而導致繞月衛(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)歷復雜的熱環(huán)境，熱控技術必須適應復雜的外部溫度變化，以保證星上所有設備處在正常的工作溫度范圍。
不過，上述4個技術難點，在目前的中國航天技術范圍內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-月轉移軌道。二是地月轉移軌道段。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，以確保正確進入預定月球軌道。三是環(huán)月軌道段。當衛(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、土壤、環(huán)境和資源進行探測。目前衛(wèi)星設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。
當時中國已啟動了載人航天工程，要在長征2E火箭的基礎上發(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探測目標，同時當時國家的經(jīng)濟環(huán)境剛剛好轉，航天基礎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，在著名天體化學家、中國科學院院士歐陽自遠先生的倡議下，相關研究單位和部門組織許多相關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目標進行了系統(tǒng)的分析與研究，先后向相關主管部門提交了《中國月球探測發(fā)展戰(zhàn)略研究》和《月球資源探測衛(wèi)星科學目標》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，對中國科學院提出的“月球資源探測衛(wèi)星的科學目標與有效載荷”進行了論證評審。
2001年成立了由中國科學院相關單位組成的專家研究小組，在此基礎上開始了一些關鍵技術(如有效載荷)的攻關和地面應用系統(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、總師和首席科學家，各項工作進入工程實施階段。
目前，嫦娥1號工程各項準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。現(xiàn)有的航天測控網(wǎng)和中國科學院天文測控網(wǎng)將聯(lián)合為探月衛(wèi)星發(fā)射和運行提供測控服務。用來接收探月衛(wèi)星發(fā)回數(shù)據(jù)的地面接收系統(tǒng)的基礎工程建設也基本完成，整個天線架設工作進展順利。
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，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，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的高度綜合，將帶動和促進航天技術和中國基礎科學等其它高技術的發(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、新能源和新材料技術等。這些高技術的進步將會在國民經(jīng)濟和國防建設等方面得到推廣和運用，產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益，并推進中國航天領域的國際合作。
繞月探測工程總設計師、中國航天科技集團公司高級技術顧問、中國科學院院士孫家棟認為，中國月球探測的主要目的是從科學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。隨著月球探測各期工程的分步實施，逐步突破繞月探測關鍵技術、月球軟著陸與自動巡視勘測技術和月球自動采樣與地-月往返技術，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基礎。隨著工程的進展，中國的航天技術將得到整體提升，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。(作者：平樹）
