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天文航天知识——十万个为什么
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嫦娥三号飞天为何要经过“七道坎”

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  “嫦娥三号”将首次实现月球软着陆和月面巡视勘察。在11月26日嫦娥三号任务首场新闻发布会上,国防科工局新闻发言人吴志坚表示,嫦娥三号任务面临7大难点,包括地面试验验证,多窗口、窄宽度准时发射,月面软着陆,两器分离,月地间遥操作,月面生存,测控通信等7大关键技术。

  针对这“七道坎”,记者采访了中国航天科技集团空间技术研究院研究员庞之浩和北大地球与空间科学学院教授焦维新。

  1 【地面试验】

  发射前开展很多模拟验证

  【解读】在嫦娥三号发射之前,在前期要开展很多试验验证工作。

  比如,利用前期拍摄的一些照片通过配比来模拟月壤,模拟月球车在月壤上如何行驶,在模拟过程中考虑如何设计月球车,包括它的轮子等各个部件。月球车要承载仪器的话,如何设计它的承重量,因为月球上重力是地球上的六分之一,信誉优盛开户:承重过程也需要模拟,50公斤放上去是什么情况,60公斤放上去是什么情况。此外,月球车的单个部件在下落过程中是什么样,这些都需要非常多的前期试验和验证工作。

  2 【窄宽度准时发射】

  “零窗口”发射留存更多动力

  【解读】探测器要与月球接近或相遇,必须在地球与月球处于一定的相对位置之前或之后的某个时间区间内,瞄准正在运动的月球进行发射,这个时间区间就是发射窗口。

  这次由于改进了火箭,可以使用多窗口发射。嫦娥三号卫星的发射窗口共6个,从12月2日至4日,每天两个。其中,第一窗口宽度为4分钟,第二窗口为1分钟。窗口的确定受到多个因素的制约,包括地日月运动规律及太阳对飞行过程中能源采集的影响、发射方向、地面跟踪与测控条件、气象条件等。

  嫦娥三号会力争实现“零窗口”发射。“零窗口”发射是指在一定长度的发射窗口时间内,紧贴窗口上沿即最优时间,分秒不差地实施发射。比如,发射窗口为1时至1时30分,“零窗口”就是指1时整。在这个时刻发射,卫星无需中途修正就能进入预定轨道,同时又能在变轨过程中节省燃料,从而为后续工作留存更多动力。

  3 【月面软着陆】

  探测器如何“落月”是难点

  【解读】这可以说是“七道坎”中难度最大的之一。月球没有大气层,所以在月面软着陆,不能利用空气阻力而使用降落伞。

  探测器在距离月面100米的地方要悬停,它会通过光学成像敏感器等在接近月面时进行壁障——即选择一个没有大坑和石头、比较平坦的地方着陆。

  选定着陆点后,再继续缓速下降,在离月面4米的时候,探测器关闭发动机自由下降。因为月球表面有月尘,如果发动机不关闭,月尘会影响探测器的工作。

  按计划,嫦娥三号将在月球虹湾区着陆。虹湾区相对比较平坦、通讯好、阳光好,其他国家还没有去勘察过。

  4 【两器分离】

  “玉兔”从探测器解锁

  【解读】嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器(“玉兔”号月球车)组成。

  两器分离指的是,探测器月面着陆以后,巡视器即“玉兔”号要从着陆器中下到月面,这一步难在一系列复杂的动作,包括把“玉兔”号从探测器里“解锁”,“玉兔”号移动到转移机构上。如果这个过程中出现了控制或机械方面的问题,就完成不了任务。这就好比我们在地面玩一些机械结构,只要有一个地方卡住了,就玩不了了,因为一环套一环,是非常复杂的一系列动作。

  5 【月地间遥操作】

  探测器可遥控可自主控制

  【解读】这个可以理解为“遥控探测器”。

  嫦娥三号探测器的着陆器和巡视器(“玉兔”号月球车),既可以进行自主控制,又可以通过地面来遥控。地面控制中心会根据上面的数据,包括全景相机拍摄到的着陆地点的地形地貌等,进行路径规划,给探测器发送数据。

  但是大的路线图规划好了以后,局部的行进过程,探测器就可以自主地控制进行巡视探测。比如遇到小的坡,巡视器可以自己自主爬坡。这种遥控对我们来说是首次,因为以前没有发射过落月的探测器。在地面遥控探测器就如同平时遥控遥控车,遥控车在地面还不一定能遥控好,这次要距离38万公里遥控探测器,在信号保障等方面是一个挑战。

  6 【月面生存】

  首次携带核电源夜间供电

  【解读】这可以说是“七道坎”中另一个最难之一。

  月球一天相当于地球27天,13天半是白天,13天半是黑夜,白天温度高达150摄氏度,晚上则是零下180摄氏度,温差很大。所以,在13天半的黑夜和低温下,仪器容易冻坏。

  如果要实现月夜生存,要保持仪器处于零上50摄氏度到零下40摄氏度之间,所以这次采用了多种方式来保障,包括携带核电源,这也是我国探测器首次使用核电源,它能在没有阳光照射情况下对仪器保持供电。

  另外,月球没有大气层保护,各种辐射容易到达月面,这对仪器的抗辐射性能提出了很高的要求。

  7 【测控通信】

  已建深空测控网测控月球

  【解读】嫦娥三号要进行落月以及月球车对月球的巡视勘察,需要极为精确的测控控制。好的测控控制能够提供更高的测量精度、更大的传输速率,延时将更少,可以获得清晰度更高的图像或实时视频信息。

  这次使用了X频段航天测控网,嫦娥一号使用的S频段,嫦娥二号以S为主、X频段为辅进行试验。X频段在深空探测领域很重要,因为频率高,传递信号快,抗干扰性很强,也很可靠。

  为了嫦娥三号任务,我国也建立了一套深空测控网站,在佳木斯建了一个66米的大型测控网站,在新疆喀什建立了一个35米的大型测控网站,不但具备了对月球的测控能力,也为以后深空探测(包括火星探测)奠定了非常好的基础。


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