嫦娥二號(hào)“好快省”傳奇

□ 張文雁 王曉晨

嫦娥二號(hào)任務(wù)的實(shí)施，取得了多項(xiàng)工程創(chuàng)新成果、衛(wèi)星研制技術(shù)突破和科學(xué)研究成果，不僅保證了圓滿完成科學(xué)探測任務(wù)和一系列技術(shù)驗(yàn)證和深化科學(xué)探測任務(wù)的實(shí)施，有效降低我國探月工程二期任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)，還將有力推動(dòng)我國深空探測技術(shù)的跨越和月球科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。這些成果主要有：

六大工程技術(shù)創(chuàng)新成果

與嫦娥一期工程相比，嫦娥二號(hào)月球探測任務(wù)技術(shù)更新，難度更大，系統(tǒng)更復(fù)雜，任務(wù)更加艱巨，風(fēng)險(xiǎn)性更大，必須實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的原始創(chuàng)新。

全體參研人員按照“高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高效率”的要求，創(chuàng)新理念，創(chuàng)新思維，通過任務(wù)的實(shí)施，第一次實(shí)現(xiàn)直接發(fā)射轉(zhuǎn)移軌道技術(shù)、第一次采用X波段測控技術(shù)、第一次采用新的信道編碼技術(shù)、第一次開展姿態(tài)測量圖像敏感器導(dǎo)航試驗(yàn)、第一次實(shí)現(xiàn)距月面15千米環(huán)月穩(wěn)定飛行、第一次采用數(shù)字化深空應(yīng)答機(jī)、第一次實(shí)現(xiàn)姿控敏感器的姿控確定和科學(xué)探測功能應(yīng)用，完成了六大工程目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了六個(gè)方面的技術(shù)創(chuàng)新與突破。

一是突破運(yùn)載火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù)。嫦娥一號(hào)是先發(fā)射到地球附近的過渡軌道，再經(jīng)過自身多次加速進(jìn)入奔月軌道；而嫦娥二號(hào)探測任務(wù)由運(yùn)載火箭直接送入近地點(diǎn)200千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)約38萬千米的奔月軌道，這樣效率更高。嫦娥一號(hào)用了近14天時(shí)間進(jìn)入工作軌道，嫦娥二號(hào)5天以內(nèi)就做到了。相比嫦娥一號(hào)任務(wù)，嫦娥二號(hào)任務(wù)對(duì)運(yùn)載火箭推力要求更大，入軌精度和控制精度要求更高。

二是試驗(yàn)X頻段深空測控技術(shù)，初步驗(yàn)證深空測控體制。嫦娥二號(hào)任務(wù)飛行測控首次驗(yàn)證了我國新建的X頻段深空測控體制。相比嫦娥一號(hào)任務(wù)中使用的S頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)，X頻段無線電傳輸信號(hào)頻率更高，遠(yuǎn)距離測控通信效果更好。

三是驗(yàn)證100千米月球軌道捕獲技術(shù)。相比嫦娥一號(hào)在距月面200千米處被月球捕獲，嫦娥二號(hào)在距月面100千米處進(jìn)行制動(dòng)，飛行速度更快，軌道更低，制動(dòng)量更大，同時(shí)月球不均勻重力場對(duì)衛(wèi)星軌道的攝動(dòng)影響也相應(yīng)增大，提高了對(duì)衛(wèi)星制動(dòng)控制精度的要求。

四是驗(yàn)證了100千米、15千米軌道機(jī)動(dòng)與快速測定軌技術(shù)，測試了將衛(wèi)星飛行軌道由100千米圓軌道調(diào)整為遠(yuǎn)月點(diǎn)100千米、近月點(diǎn)15千米的橢圓軌道的能力。

五是試驗(yàn)了全新的著陸相機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸能力大幅提高。數(shù)據(jù)傳輸速率也由嫦娥一號(hào)的3兆每秒翻倍為6兆每秒，還進(jìn)行了12兆每秒的傳播速率試驗(yàn)，獲得了良好的效果。

六是對(duì)嫦娥三號(hào)預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像試驗(yàn)。嫦娥一號(hào)搭載的CCD相機(jī)分辨率為120米。而嫦娥二號(hào)對(duì)嫦娥三號(hào)的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行優(yōu)于10米和1米分辨率的成像試驗(yàn)，分辨率有了很大提高。

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星研制人員正在進(jìn)行現(xiàn)場測試

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星微小相機(jī)研制組在工作

出色完成四大科學(xué)目標(biāo)

嫦娥二號(hào)利用隨身攜帶的CCD立體相機(jī)、激光高度計(jì)、X射線譜儀、γ射線譜儀、微波探測器、太陽高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器等七種“武器”，留下了月球三維照片，還為研究月球土壤成分、測量月球化學(xué)元素、感知月球空間環(huán)境，留下了大量的科學(xué)探測數(shù)據(jù)，出色完成了四大科學(xué)探測目標(biāo)。

2010年11月，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星月面虹灣局部影像圖揭幕儀式在京舉行，據(jù)介紹，這張衛(wèi)星在100千米軌道上拍攝的嫦娥三號(hào)衛(wèi)星的預(yù)選著陸區(qū)的影像圖分辨率優(yōu)于10米，進(jìn)入100千米×15千米的橢圓軌道時(shí)，分辨率可達(dá)1米，超過預(yù)定的1.5米的指標(biāo)。

2012年2月，國防科工局發(fā)布了嫦娥二號(hào)月球探測器在國際上首次獲得的7米分辨率、100%覆蓋全月球影像圖和優(yōu)于30米的全月球數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，其中，首次獲得的7米分辨率的全月球立體影像的分辨率比嫦娥一號(hào)提高了17倍。

高分辨率全月球影像圖是月球科學(xué)研究最為基礎(chǔ)性的資料，對(duì)研究月球物質(zhì)特性、區(qū)劃月球地質(zhì)構(gòu)造、勾繪月表物質(zhì)成分的含量與分布圖標(biāo)、分析月表地形地貌特性與成因等都具有重要科學(xué)價(jià)值或參考作用，利用這些高分辨率的影像，科學(xué)研究工作者還可以找到在較低分辨率圖像中不可能發(fā)現(xiàn)的更為細(xì)致的地理結(jié)構(gòu)。比如，月球表面物質(zhì)長期受到宇宙線、太陽高能和低能離子的照射以及月表溫差變化和小天體撞擊的綜合作用，形成了許多太空風(fēng)化特征，高分辨率全月球影像圖所展示的精細(xì)特征，為研究月表物質(zhì)的太空風(fēng)化過程提供了重要科學(xué)依據(jù)。科學(xué)家們將通過對(duì)圖像進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步深化對(duì)月球科學(xué)及空間科學(xué)的認(rèn)識(shí)和理解，從而，為解答月球和太陽系起源等科學(xué)問題，打開月球科學(xué)研究新的窗口，得到更多的創(chuàng)新成果。

嫦娥二號(hào)搭載的其他科學(xué)探測儀器，也同樣獲得了大量月球科學(xué)探測數(shù)據(jù)，取得一系列新的研究成果，如，首次利用太陽高能粒子探測器的質(zhì)子探測數(shù)據(jù)，在澄海對(duì)峙區(qū)發(fā)現(xiàn)了月表剩磁所引起的微磁層的存在等。

在繞L2點(diǎn)飛行過程中，嫦娥二號(hào)攜帶的4臺(tái)科學(xué)儀器聯(lián)合進(jìn)行了系列科學(xué)探測。比如，星上攜帶的X射線譜儀對(duì)目前正在處于上升階段的太陽活動(dòng)、頻繁爆發(fā)的太陽耀斑進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果一方面可以對(duì)如大耀斑伴隨的太陽質(zhì)子事件等空間環(huán)境進(jìn)行預(yù)警，另一方面也可以開展太陽耀斑演化特征和規(guī)律的科學(xué)研究。同時(shí)，星上的γ射線譜儀還對(duì)宇宙γ爆進(jìn)行了觀測，填補(bǔ)了我國對(duì)地球遠(yuǎn)磁尾區(qū)域的離子能譜、太陽耀斑爆發(fā)和宇宙伽瑪爆的科學(xué)探測的空白……總之，嫦娥二號(hào)在L2點(diǎn)的235天的探測，積累了大量對(duì)太陽的探測數(shù)據(jù)。

嫦娥二號(hào)造訪4179圖塔蒂斯小行星，實(shí)現(xiàn)國際上首次與近距離交會(huì)并獲取最高分辨率優(yōu)于3米的光學(xué)圖像，我國邁進(jìn)了原本只有美歐、美、日成員的小行星探測“俱樂部”。

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星部裝俯視圖

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行部裝

突破十三項(xiàng)衛(wèi)星技術(shù)

經(jīng)過主任務(wù)和拓展任務(wù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星取得十三項(xiàng)技術(shù)突破。這些技術(shù)主要有：

1.設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了嫦娥三號(hào)著陸任務(wù)中動(dòng)力下降前的所有軌道與機(jī)動(dòng)飛行控制技術(shù)，突破了直接地月轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.針對(duì)月球不均勻重力場及高起伏地形環(huán)境，突破月球軌道設(shè)計(jì)、衛(wèi)星自主慣性對(duì)準(zhǔn)、機(jī)動(dòng)軌道拼接等關(guān)鍵技術(shù)，首次成功實(shí)現(xiàn)100千米圓軌道和100千米×15千米橢圓軌道飛行，首次實(shí)現(xiàn)在月球背面無測控條件下主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火變軌，并實(shí)現(xiàn)了高精度的衛(wèi)星軌道控制。

3.在國際月球探測中首次采用時(shí)間延時(shí)積分(TDI)成像技術(shù)，設(shè)計(jì)了由地面行頻數(shù)據(jù)注入和測高數(shù)據(jù)輔助兩種速高比補(bǔ)償成像方法，獲得了7米分辨率的全月球立體影像；獲得了1.3米分辨率的局部影像，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

4.創(chuàng)新研制首臺(tái)基于統(tǒng)一載波體制的X頻段高靈敏度數(shù)字化測控應(yīng)答機(jī)，實(shí)現(xiàn)了深空探測領(lǐng)域星載測控技術(shù)的多項(xiàng)突破；在軌試驗(yàn)驗(yàn)證了X頻段深空測控體制和技術(shù)，標(biāo)志著我國航天測控技術(shù)進(jìn)入國際先進(jìn)行列，為后續(xù)深空探測奠定了基礎(chǔ)。

5.突破微小型智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了地球至月球空間飛行過程監(jiān)視成像，首次實(shí)時(shí)獲取了太陽翼展開、天線展開/轉(zhuǎn)動(dòng)、主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)圖像，為后續(xù)重要飛行事件提供了可視化手段。

6.首次在航天工程中于空間段應(yīng)用了LDPC新的編譯碼,主要指標(biāo)優(yōu)于國際標(biāo)準(zhǔn),提高了我國在國際深空信道編譯碼領(lǐng)域的地位和話語權(quán)。

7.首次在軌驗(yàn)證了推進(jìn)系統(tǒng)高壓氣路長壽命技術(shù)，為高強(qiáng)度軌道機(jī)動(dòng)及L2點(diǎn)、小行星探測試驗(yàn)奠定動(dòng)力基礎(chǔ)。

8.首次突破探測敏感器、載荷一體化技術(shù),利用成像敏感器完成星地大回路導(dǎo)航試驗(yàn)。

9.在地球月球衛(wèi)星和太陽地球衛(wèi)星雙三體復(fù)雜環(huán)境下，針對(duì)太陽、地球引力平動(dòng)點(diǎn)攝動(dòng)復(fù)雜、軌道設(shè)計(jì)無解析解、測控距離遠(yuǎn)等難點(diǎn)，攻克了非線性系統(tǒng)流形設(shè)計(jì)、低能量轉(zhuǎn)移軌道控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從月球軌道飛赴L2點(diǎn)的軌道設(shè)計(jì)、飛行控制和遠(yuǎn)距離測控通信，在國際上首次實(shí)現(xiàn)從月球軌道飛赴日-地拉格朗日L2點(diǎn)探測，開展科學(xué)探測。

10.突破距地球1000萬千米遠(yuǎn)的深空軌道和測控通信技術(shù),首次實(shí)現(xiàn)行星際飛行，基于能量、距離和時(shí)間及目標(biāo)物理特性等強(qiáng)約束，提出潛在小行星目標(biāo)選取策略，在國際上首次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了逼近飛越探測方式及基于高速交會(huì)漸遠(yuǎn)點(diǎn)凝視成像技術(shù)，國際上首次成功逼近飛越4179 圖塔蒂斯小行星并獲取3米分辨率光學(xué)彩色圖像；在國際上創(chuàng)造千米級(jí)飛越小行星最近距離紀(jì)錄。

11.創(chuàng)新利用拉格朗日點(diǎn)伴地球繞太陽的特性，在衛(wèi)星推進(jìn)劑、星地通訊距離、地面大天線進(jìn)度等約束條件下，國際上首次實(shí)現(xiàn)從拉格朗日點(diǎn)轉(zhuǎn)移飛越小行星。

12.通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)、全面驗(yàn)證、精心實(shí)施，充分利用衛(wèi)星剩余資源,發(fā)揮衛(wèi)星潛能,從月球到L2再到圖塔蒂斯，實(shí)現(xiàn)了具有國際特色和水準(zhǔn)的多目標(biāo)多任務(wù)探測，取得了“好、快、省”的突出實(shí)效。

13.通過對(duì)以往研究成果的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用,開展國內(nèi)外多站專項(xiàng)觀測,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)小行星定軌和預(yù)報(bào)，精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

總之，嫦娥二號(hào)作為當(dāng)今具有國際先進(jìn)水平的繞月探測器，以其卓越的表現(xiàn)，推進(jìn)了中國航天技術(shù)的跨越發(fā)展，提升了中國航天器的研制能力和技術(shù)水平，為中國實(shí)施未來的深空探測任務(wù)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。