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中国探月工程概览
[ 发布时间:2018-12-10 ]   [ 字号: ]

 

庞之浩

 

  中国的空间探测是从月球探测开始的,这是因为月球是离地球最近的一个星球,又蕴含着丰富的资源和能源以及特殊环境,所以从技术、科学和经济等方面讲,各国在空间探测领域大都先从探月开始是符合科学规律的。随着我国经济和科技的不断发展,从2004年起,中国开始实施月球探测工程。
  
  “绕、落、回”三步走
  
  中国探月工程采用绕月探测、落月探测和月球采样返回探测,即“绕、落、回”三步走发展战略实施,每一步都是对前一步的深化,并为下一步奠定基础,它们有明显的递进关系。
  
  “绕”:2007年(一期)发射绕月探测器,对月球进行全球性普查。它原定通过发射嫦娥一号、二号绕月探测器来完成,其中嫦娥二号是嫦娥一号的备份。后来由于嫦娥一号表现出色,嫦娥二号卫星改作探月第二阶段的技术先导星。
  
  “落”:2013年(二期)发射携带月球车的探测器在月面着陆,对着陆区附近进行区域性详查。它原定通过发射嫦娥三号、四号探测器来完成,其中嫦娥四号是嫦娥三号的备份,后来嫦娥二号也用于这一阶段任务,用于突破关键技术。
  
  “回”:2020年前(三期)发射月球采样返回器。它在月面特定区域软着陆并采样,然后把月球样品带回地球进行精查。
  
  “绕”月探测
  
  2007年10月24日,我国发射第一个月球探测器嫦蛾一号。它运行在距月面约200千米高的圆形极轨道上,采用了较多新技术。例如,三体定向技术、紫外敏感器等,用了修2千米地铁的钱造了38万千米的天路。它于同年11月20日传回第1幅月面图像,从而竖起了继人造卫星、载人航天之后,我国航天的第三个里程碑。
  
  在嫦娥一号上有8种科学仪器,用于获取月球表面三维立体图像,探测月表不同物质的化学元素和地月空间环境,首次用微波探测仪测量月壤的厚度。
  
  链接:嫦娥一号的测控以S频段航天测控网为主,辅以甚长基线干涉(VLBI)天文测量系统组成。VLBI是一种射电干涉技术,通过无线电波干涉的方法,将间隔数百乃至数千千米长度基线两端的口径较小的射电望远镜,合成为巨大的综合孔径望远镜,其等效直径为望远镜之间的最长基线长度。通过延长基线,VLBI能获得极高的分辨率,是目前分辨率最高的天文观测技术。我国的射电望远镜VLBI观测网由四个VLBI站(北京密云站、乌鲁木齐南山站、昆明凤凰山站、上海佘山站)和一个数据处理中心(上海)组成。位于靠近我国国土边缘的四个站构成6条测量基线。最长基线长度可达3200多千米。
  
  在超额完成各项任务后,为了积累落月过程控制和轨道测定方面的经验,嫦娥一号于2009年3月1日受控撞击了月球丰富海区域。它比原计划多飞117天;飞行期间经历3次月食;传回1.37TB有效科学探测数据。
  
  嫦娥一号获取了世界第一幅全月图,以及月表化学元素分布和矿物含量及月壤分布和近月空间环境等数据,填补了我国在探月领域的空白。
  
  “落”月探测
  
  我国落月探测计划实施嫦娥二号、三号、四号共3次飞行任务。
  
  由于落月探测要突破等一系列关键技术,技术跨度和实施难度较大。因此,为了降低风险,在发射嫦娥三号之前,先于2010年10月1日发射了嫦娥二号。
  
  嫦娥二号运行在距月面100千米高的极轨道上,设计寿命半年,分辨率7米,主要完成两大任务:一是对新技术进行试验验证,对未来的预选着陆区进行高分辨率成像;二是获得更加丰富和准确的探测数据,深化对月球的科学认知。
  
  2011年4月1日,嫦娥二号半年设计寿命期满后,进行了拓展试验,例如,2011年8月25日,嫦娥二号在世界上首次实现了从月球轨道出发,受控进入日地拉格朗日2点环绕轨道,使我国成为造访拉格朗日2点的前三甲。
  
  2012年6月1日,嫦娥二号又成功变轨,进入飞往小行星的轨道。同年12月13日,嫦娥二号对图塔蒂斯小行星进行飞越探测。它使我国成为世界第4个探测小行星的国家,开创了我国航天一次发射开展多目标多任务探测的先河。
  
  嫦娥三号是探月二期工程的主任务。2013年12月2日,我国成功把嫦娥三号直接送入地月转移轨道。12月14日,嫦娥三号在月面软着陆,首次实现了我国对地球以外天体的软着陆。 12月15日,嫦娥三号着陆器与巡视器互相拍照,使我国成为世界第3个掌握落月探测技术的国家。它使我国取得了跨越式进步,直接获得了丰富的月球数据,并经受了着陆、移动和长月夜生存三大挑战。
  
  2018年5月21日,我国发射首颗月球中继星“鹊桥”,6月14日进入使命轨道。同年12月8日,发射首次在月球背面着陆的探测器嫦娥四号。
  
  探测月球背面比正面保留着更为原始的状态,对研究月球和地球的早期历史具有重要价值。另外,月球背面可屏蔽来自地球的各种无线电干扰信号,因而在那里能监测到地面和地球附近的太空无法分辨的电磁信号,有望取得重大成果。
  
  正是由于在地球上永远看不到月球的背面,所以在月球背面着陆的探测器不能直接和地球站进行无线电通信,为此我国今年先把“鹊桥”送入地月拉格朗日2点晕轨道。在这个轨道上运行,“鹊桥”能同时看到地球和月球,从而可为此后发射的嫦娥四号着陆器与地球站之间提供通信链路,传输测控通信信号和科学数据。


  


月球中继卫星与地球、月球的相对位置关系


  
  链接:地月拉格朗日点是指地球和月球之间的引力平衡点,一共有5个,其中有两个是稳定的,即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰,仍然有保持在原来位置处的倾向。“鹊桥”运行在地月拉格朗日2点(地月L2点)晕轨道,这个轨道是在地月球心连线上靠近月球的一侧,距月球约6.5~8万千米处。在这个轨道上“鹊桥”能同时看到地球和月球背面,从而可为此后发射的嫦娥四号与地球站之间提供通信链路,传输测控通信信号和科学数据,还能节省燃料。
 

 


5个地月引力平衡点——L点


  
  链接:“鹊桥”不能在地月L2点上运行,而是在绕地月L2点的晕轨道(Halo)——使命轨道运行,否则会被月球挡住,无法与地球联系。晕轨道距月球6.5~8万千米,是绕地月L2点运行的一种轨道,形状为三维非规则曲线,周期14天,Z轴振幅高达1.3万千米,轨道控制非常复杂,所以叫晕轨道。
  
  作为嫦娥三号的备份,嫦娥四号仍是由着陆器和巡视器组成,但是因为嫦娥四号与嫦娥三号的科学目标差异很大,因此两者所装载的科学载荷有明显变化,与荷兰、德国、瑞典、沙特开展了4项科学载荷方面的国际合作,搭载了3项由哈尔滨工业大学、中山大学、重庆大学等国内高校研制的科学技术试验项目。
  
  嫦娥四号有三大科学任务:①开展月球背面低频射电天文观测与研究;②开展月球背面巡视区形貌、矿物组份及月表浅层结构探测与研究;③试验性开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。
  
  采样返回
  
  我国探月三期的任务是采样返回,取回2千克月样品到地球实验室精查。其目标是实现我国首次月面自动采样返回,对返回样品进行系统分析与研究,深化对月球和地月系统的起源与演化的认识。这也将为载人登月和深空探测奠定基础。
  
  再入返回飞行试验器于2014年10月24日升空。11月1日,试验器的返回舱在内蒙古着陆。这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球,它的成功表明,我国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术。
 

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