“嫦娥一號”衛星解讀

“嫦娥一號”衛星升空拉開了中國“嫦娥工程”的大幕。如果說“嫦娥工程”中的五大系統誰也離不開誰的話，相對而言，“嫦娥一號”是整個工程的重中之重。因為，一方面，奔向38萬千米的月球靠它，對月球拍照探測要靠它，向地球傳回圖像照片還靠它，沒有它，“嫦娥工程”就無從談起；另一方面，“嫦娥一號”衛星系統不僅較之其他系統有不同的特點，而且任務內容新，挑戰巨大，技術創新項目很多。

中國航天界新挑戰

我們知道，迄今為止，我國研制發射的各類衛星均是在地球引力場范圍內運行的空間飛行器，換言之，地球衛星仍然是在地球引力的范圍內運行。而“嫦娥一號”衛星是我國第一次研制脫離地球引力場的空間飛行器，它的研制，既是對我國衛星研制者極大的挑戰，也是我國衛星研制技術的跨越。太空環境復雜，未知因素多。地球到月球之間和環月球軌道上環境十分惡劣，對航天器的影響極大，衛星在這樣的環境里運行，充滿著未知數。突破關鍵技術難點，確保“嫦娥一號”衛星的質量和可靠性，事關整個“嫦娥工程”的成敗。

2002年4月“嫦娥一號”衛星轉入預發展階段，開始衛星方案的設計工作。承擔衛星研制工作的中國航天科技集團公司中國空間技術研究院研制隊伍，在前期論證的基礎上，著眼于“嫦娥一號”衛星所擔負的使命，通過對用戶需求分析和與其他四大系統的協調，開展衛星總體方案論證和各分系統的方案設計工作，確定衛星的主要技術指標，并很快完成了衛星方案的細化和指標的分解工作。在此基礎上，協調了衛星各分系統的接口技術要求，明確了初樣產品的技術狀態。同時，重點開展了衛星的軌道設計、制導導航與控制系統方案設計、測控系統方案設計、紫外敏感器和定向天線等關鍵技術的攻關工作。

2002年9月，“嫦娥一號”衛星各分系統方案通過了設計評審。2002年11月，在中國空間技術研究院專家挑剔的目光中，“嫦娥一號”衛星總體設計方案通過了專家的審查。自此，“嫦娥一號”衛星開始了初樣的研制工作。2003年底“嫦娥一號”衛星研制隊伍完成了衛星初樣初步設計工作和初步設計評審；2004年初，衛星各分系統轉入詳細設計階段。2004年3月，國防科工委組織召開了“繞月探測工程第一次工作會和大總體協調會”，進行了大系統間技術協調。

2004年7月1日開始，“嫦娥一號”衛星開始進行初樣研制。經過近18個月的研制，突破了許多關鍵技術和試驗驗證工作，于2005年12月9日完成整星轉正樣評審。

2005年12月，“嫦娥一號”衛星轉入正樣階段研制。2006年1月至5月完成了正樣星部裝、管路焊接、分系統聯試、星上產品驗收及正樣星總裝。2006年5月以來，完成了各種測試試驗和演練。

2007年1月19日，在完成了研制流程規定的各項工作后，嫦娥一號衛星終于迎來了奔赴發射場前集團公司級和國防科工委級的“大考”。

如果從衛星方案設計算起，“嫦娥一號”衛星研制前前后后花了5年的時間。如果從“嫦娥工程”正式立項，衛星開始工程研制算起，實際研制只花了3年多時間。

衛星運行軌道特殊

我們知道，人造地球衛星按其用途可分為距地球200～300千米左右高度的低軌道衛星，有距地球1 000千米左右高度的太陽同步軌道衛星和距地球36 000千米高度的地球靜止軌道衛星。“嫦娥一號”衛星的運行軌道與這些衛星是完全不同的，它的軌道與這些衛星比較有其自身的特點。

“嫦娥一號”衛星首先由運載火箭送入地球大橢圓軌道，衛星與運載火箭分離后，利用自身的推進系統經過3次加速，進入地球至月球轉移軌道。在此期間，衛星需要進行多次軌道調整和姿態機動，以確保它能夠準確地被月球引力所捕獲。衛星在地球至月球轉移軌道運行4～5天后，進入月球捕獲軌道，再進行3次制動，分別經過3個不同軌道階段進入月球的目標軌道，執行預定的任務。衛星從發射到月球目標軌道大約需8～9天。

由于地球、月球和衛星都在運動，在地球、月球、衛星三體運動條件下，“嫦娥一號”衛星的軌道設計，較以往的地球和衛星相對運動條件下的設計要復雜得多。“嫦娥一號”衛星脫離地球引力飛向月球的過程是沿著一條精心設計的地球至月球轉移軌道飛行的，這一復雜的過程分為主動段、調相軌道段、地球至月球轉移軌道段、環月軌道段四個不同的軌道段。相對低軌和高軌衛星而言，“嫦娥一號”衛星對應于各飛行階段的飛行程序更為復雜，這一復雜的程序給測控、變軌、能源、熱控等方面提出了很高的要求。此外，由于衛星有軌道交會的要求，衛星的發射日期和發射窗口的選擇也有較大的限制。

同時，“嫦娥一號”衛星科學探測的目的是要全面了解月球相關信息，對月面進行探測，特別是對月球南北兩極的探測，衛星的環繞月球飛行過程中軌道的設計就顯得十分重要。因此，我國科學家在確定“嫦娥一號”衛星運行軌道的時候，選擇了極月軌道，即軌道相對月球赤道的傾角為90度。為使衛星沿整個軌道所獲得的遙感圖像具有相同的分辨率，采用了圓軌道。為提高圖像的分辨率，盡可能選擇較低的軌道高度。“嫦娥一號”衛星軌道高度為200千米。

定向技術面對考驗

在衛星環繞月球飛行期間，其姿態要一直保持對月球、地球和太陽三個天體定向；各種探測器要保持對準月面，以完成科學探測任務；衛星發射和接收天線要保持對地球定向，以將科學數據傳回地球，供地面應用系統研究；衛星的太陽能帆板要保持對太陽定向；為了使太陽電池陣盡量獲得日照，衛星需要采取正飛和側飛兩種姿態，以獲得正常工作所需要的電能。但是這樣做的同時也增加了衛星姿態控制的附加要求和能量要求。在衛星運行期間，月、地、日三個天體都是相對運動的，姿態控制是三矢量控制過程，三體定向是一項非常復雜的定向技術，需要精確的姿態控制技術。

同時，月球的引力場與地球引力場有很大的差別，因此，衛星的軌道動力學特性、軌道控制與姿態控制的設計要求和設計方案與地球衛星相比，有很大的不同。它需要在衛星整體布局、質量分布、多軸控制跟蹤等方面進行大量的新的理論研究和技術創新，也帶來許多工程實踐上的巨大挑戰。

“嫦娥一號”衛星在奔赴月球途中的幾個關鍵變軌點處，衛星的姿態和軌道控制必須及時、準確和可靠。尤其是近月制動階段，是“嫦娥一號”衛星飛行任務中的最重要的環節，要求確保系統的可靠性和準確性。由于月球引力場的異常復雜性，使得衛星的軌道極不穩定，具體表現是近月點的高度會有較大的變化，衛星在環月飛行中的軌道越低這種變化越明顯。如果控制技術不過硬，甚至會導致衛星墜入月面。在對衛星進行姿態控制中，這種大幅度改變衛星的運行軌道是過去所沒有遇到過的新問題。如前所述，又因為月球的引力場與地球引力場有很大的差別，因此，衛星的軌道動力學特性，軌道控制與姿態控制的設計要求和設計方案，與地球衛星相比，有很大的不同。

月食影響衛星運行

“嫦娥一號”衛星在繞月飛行和探測過程中，將遇到近月空間各種特殊的環境，而這些環境將對衛星的性能、可靠性和工作壽命產生影響。在衛星經歷主動段、調相軌道階段、地月轉移軌道階段、環月正飛/側飛等階段過程中，星上設備存在多種工作模式，并且月球反照、紅外輻射隨在軌不同階段及發射的時機不同而變化較大。此外，環月衛星與太陽的相對位置變化也較大。上述因素的綜合影響，給衛星的熱控制設計增加了很大的難度。

同時，專家認為，月球環境也是“嫦娥一號”衛星熱控制設計中所必須關注和重視的重要制約因素。“嫦娥一號”衛星與過去研制的衛星所處的空間環境有很大的不同，在轉移軌道上經受的地球空間自然環境以及在環月軌道上經受的月球空間自然環境，存在巨大的差別。例如，地球至月球空間的強輻照環境，會對衛星上的電子元器件產生很大的影響；月球在對日面、背日面條件下的溫度變化在130℃～－180℃，所以，對探測器的溫度控制要求更高，要使衛星適應這種不同的環境，穩定可靠地工作，衛星上的設備存在著多種工作模式，對衛星及各設備的環境適應性、可靠性提出了更高的要求。同時，環月衛星與太陽的相對位置變化也較大，陽光對軌道面的照射方向在一年內將變化360度，受上述因素的影響，衛星上存在著復雜多變的內熱源和外熱流，這種狀況為衛星的電源和熱控設計增加了極大的難度。

此外，月食對“嫦娥一號”衛星的溫度也有著重要的影響。月食是月球進入地球影子時發生的現象。影子有本影、半影之分，半影圍繞在本影外面。本影區內沒有任何陽光直射，半影區內只有部分陽光直射。月食時，月球正面的太陽直接輻射能、月表反射能和月表紅外輻射能都迅速減少。而同時，由于太陽電池供電減少，能源短缺，可用來給設備加熱的電能也相當有限。準確地了解月食時月表的太陽輻照和溫度，對于“嫦娥一號”衛星的熱設計和熱分析，以及應對方案的制定，具有重要意義。這也給衛星設計增加難度。