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嫦娥一号卫星

嫦娥一号是我国首颗绕月人造卫星。以中国古代神话人物嫦娥命名,由中国空间技术研究院承担研制。总重量为2350千克左右,尺寸为2000毫米×1720毫米×2200毫米,帆板展开长度18米,预设寿命为1年。

该卫星的主要探测目标是:获取月球表面的三维立体影像;分析月球表面有用元素的含量和物质类型的分布特点;探测月壤厚度和地球至月球的空间环境。

2007年10月24日18时05分(UTC+8时)左右,嫦娥一号卫星在西昌卫星发射中心升空。2009年3月1日完成使命,撞向月球预定地点。

1994年,我国航天科技工作者进行了探月活动必要性和可行性研究;

1996年,完成了探月卫星的技术方案研究;

1998年,完成了卫星关键技术研究,以后又开展了深化论证工作;

经过10年的酝酿,最终确定我国整个探月工程分为“绕”、“落”、“回”3个阶段;

2004年11月19日“嫦娥一号”开始初样研制,“嫦娥工程”进入实施阶段;

2005年年底,完成了卫星初样产品的研制和相关试验;

2006年3月,中国探月计划第一颗卫星“嫦娥一号”进入有效载荷正样系统最后联试阶段,以确保科学探测设备将来在太空正常工作;

2006年10月前,完成探月卫星正样产品的设计、研制、总装、测试和各项试验;

2007年8月,已完成了产品研制,并通过了各项试验考核验证。 [1]

嫦娥一号卫星选用东方红三号卫星平台,并进行了适应性改造。其外形与东方红三号卫星相似,卫星本体为一个2.22米×1.72 米×2.2米的六面体,两侧各装有一个大型展开式太阳电池翼,当两侧太阳翼完全展开后,最大跨度可以达到18米,重量为2350千克,设计工作寿命为一年,将运行在距月球表面200千米高的极月圆轨道上。

嫦娥一号星体为立方体,两侧各有一个太阳帆板,最大跨度达18.1米,重2350千克,工作寿命一年。它将运行在距月球表面200千米的圆形极轨道上。

该卫星平台由结构分系统、热控分系统、制导导航与控制分系统、推进分系统、数据管理分系统、测控数传分系统、定向天线分系统和有效载荷等9个分系统组成。这些分系统各司其职、协同工作,保证月球探测任务的顺利完成。星上的有效载荷用于完成对月球的科学探测和试验,其它分系统则为有效载荷正常工作提供支持、控制、指令和管理保证服务。 [2]

根据我国探月卫星工程的四大科学目标,在嫦娥一号上搭载了8种24台件科学探测仪器,重130千克,即微波探测仪系统、γ射线谱仪X射线谱仪激光高度计太阳高能粒子探测器太阳风离子探测器CCD立体相机干涉成像光谱仪 [2]

2007年10月24日18时05分,搭载着我国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭西昌卫星发射中心三号塔架点火发射。 [3]

长征三号甲运载火箭在发射嫦娥一号卫星时,通过第一、二级和第三级的第一次点火,先将卫星送入近地轨道,并在近地轨道滑行飞行一段时间。

火箭起飞第1249秒,三级火箭第二次点火;

第1373秒,三级火箭二次点火发动机关机。

第1473秒,星箭分离成功,嫦娥一号卫星进入近地点约200千米、远地点约51000千米、运行时间为16小时的大椭圆轨道,成为一颗绕地球飞行的卫星。 [4]

2007年10月25日下午,地面注入指令,卫星上推力为50牛顿的调姿发动机开始点火,约4分钟后,推力为490牛顿的主发动机点火实施变轨,将卫星轨道近地点抬高到离地球约600公里的地方。

2007年10月26日下午,当卫星再次到达近地点时,卫星主发动机再次打开,巨大的推力使卫星上升到24小时轨道。在24小时轨道上运行3圈后,卫星上的主发动机第三次点火,实施第二次近地点变轨,嫦娥一号卫星进入48小时轨道。 [5]

2007年10月31日,当卫星再一次抵达近地点时,主发动机打开,卫星的速度在短短几分钟之内提高到10.916千米/秒以上,进入地月转移轨道,真正开始了从地球向月球的飞越。 [6]

2007年11月5日前后,嫦娥一号卫星到达距月球200千米位置,进行减速制动。 [7]

2007年11月5日,从地月转移轨道进入12小时月球轨道

2007年11月6日前后,嫦娥一号卫星进行第二次近月制动,速度进一步降低,卫星进入3.5小时轨道,并在这个轨道上运行7圈。

2007年11月7日前后,嫦娥一号卫星进行第三次近月制动,进入127分钟月球极月轨道。这是卫星绕月飞行的工作轨道。这个轨道为圆形,离月球表面200千米。 [8]

建立月球工作轨道后,嫦娥一号卫星携带的“8种武器”将开始大显身手,为完成4大科学目标展开紧张而忙碌的工作。如果不出意外,卫星所携带的CCD立体相机在11月下旬就可以传回第一张月球照片,这是绕月成功的重要标志。干涉成像光谱仪激光高度计、CCD立体相机将共同完成第一个科学目标,即获取月球表面三维立体影像;γ射线谱仪X射线谱仪将携手对月球表面有用元素及物质类型的含量和分布进行辨析。首次被应用到月球探测中的微波探测仪,将对月壤厚度和氦-3资源量展开探测;而由太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器组成的空间环境探测系统,将通过不间断地捕捉质子电子离子,对4万到40万千米范围的“地月”空间环境展开探测。 [9]

“嫦娥一号”卫星发射后首先将被送入一个地球同步椭圆轨道,这一轨道离地面距离为500公里至7万公里,探月卫星将用26小时环绕此轨道一圈后,通过加速再进入一个更大的椭圆轨道,距离地面最近距离为500 公里,最远为12万公里,需要48小时才能环绕一圈。此后,探测卫星不断加速,开始“奔向”月球,大概经过83小时的飞行,在快要到达月球时,依靠控制火箭的反向助推减速。在被月球引力“俘获”后,成为环月球卫星,最终在离月球表面200公里高度的极地轨道绕月球飞行,开展拍摄三维影像等工作。

中国探月工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远介绍“嫦娥一号”是我国发射的最远距离的卫星,距地球的平均距离是38万公里。

绕月探测工程将完成以下四大科学目标:

1、获取月球表面三维立体影像,精细划分月球表面的基本构造和地貌单元,进行月球表面撞击坑形态、大小、分布、密度等的研究,为类地行星表面年龄的划分和早期演化历史研究提供基本数据,并为月面软着陆区选址和月球基地位置优选提供基础资料等。

2、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点,主要是勘察月球表面有开发利用价值的等14种元素的含量和分布,绘制各元素的全月球分布图,月球岩石、矿物和地质学专题图等,发现各元素在月表的富集区,评估月球矿产资源的开发利用前景等。

3、探测月壤厚度,即利用微波辐射技术,获取月球表面月壤的厚度数据,从而得到月球表面年龄及其分布,并在此基础上,估算核聚变发电燃料氦-3的含量、资源分布及资源量等。

4、探测地球至月亮的空间环境。月球与地球平均距离为38万公里,处于地球磁场空间的远磁尾区域,卫星在此区域可探测太阳宇宙线高能粒子和太阳风等离子体,研究太阳风和月球以及地球磁场磁尾与月球的相互作用。

由月球探测卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用等五大系统组成的绕月探测工程系统届时将实现以下五项工程目标:1)研制和发射我国第一个月球探测卫星;2)初步掌握绕月探测基本技术;3)首次开展月球科学探测;4)初步构建月球探测航天工程系统;5)为月球探测后续工程积累经验。

“嫦娥一号”搭载了歌曲30首,但是普通电视电台不能收到嫦娥歌曲信号。 [10] 由于月球距离地球40万公里,地面上不可能像听收音机一样接收。只能用天线把数据调制成S波段数据,地面接收后再把它处理出来,再把这个数据文件放到发射塔上发射,收音机就听得见,也可以到网上下载。 [11]

30首播放歌曲清单:

谁不说俺家乡好》、《爱我中华》、《歌唱祖国》、《梁山伯与祝英台》、《我的祖国》、《走进新时代》、《二泉映月》、《黄河颂》、《青藏高原》、《长江之歌》、《在希望的田野上》、《春天的故事》、《七子之歌》、《我的中国心》、《高山流水》、《草原上升起不落的太阳》、《中国人》、《贵妃醉酒》选段、《难忘今宵》、《歌声与微笑》、《春节序曲》、《半个月亮爬上来》、《游园惊梦》选段、《富饶辽阔的阿拉善》、《十二木卡姆选曲》、《东方之珠》、《在那遥远的地方》、《我是中国人》、《但愿人长久

特别选用曲目:

义勇军进行曲》、《东方红

“嫦娥一号”卫星研制过程中的技术难点有:1、轨道设计与飞行程序控制问题;2、卫星姿态控制的三矢量控制问题;3、卫星环境适应性设计移动图片;4、远距离测控与通信问题。

“嫦娥一号”卫星由中国空间技术研究院承担研制,“嫦娥一号”月球探测卫星卫星平台和有效载荷两大部分组成。卫星平台利用东方红三号卫星平台技术研制,科研人员对结构、推进、电源、测控和数传等8个分系统进行了适应性修改。有效载荷包括CCD立体相机成像光谱仪、太阳宇宙射线监测器和低能粒子探测器等科学探测仪器。

1、轨道设计技术。从科学探测的目的和任务考虑,为了尽可能对全月面进行探测,特别是对月球南北两极进行探测,嫦娥-1的工作轨道选择了绕月极轨道。为使嫦娥-1在绕月轨道上任何一处的位置都对月面拍照,并具有相同的分辨率,轨道高度要求保持稳定,因此选择的工作轨道是圆轨道,最终确定为200km高的极月圆轨道,运行周期约为127min。嫦娥-1在这一轨道运行所需能量最少,发射和变轨过程风险最低,为中国月球探测工程和今后的深空探测轨道设计积累了经验。

2、天线技术。在当时全世界搞月球探测的国家中,美国和俄罗斯深空网主力天线的口径为35m,最大的天线口径达到了70m,而我国航天测控网最大天线的口径只有12m,无法满足月球探测的需要。天线的口径和探测距离成正比,增大天线口径可以增加航天测控的距离,提高航天测控网的深空探测能力。经过努力,我们用很少的经费在喀什站和青岛站新建了2个18m直径的天线,提高了远距离测控精度,使地面站测控距离从地球近程范围延伸到月球范围,保证了嫦娥-1在距离地球4.0×105km远的太空,仍能很好地建立星地间数传与测控信号的无线通信链路,为嫦娥-1圆满完成运行与科学探测任务奠定了坚实基础。

3、首次使用紫外月球敏感器。红外地球敏感器在人造地球卫星和宇宙飞船上应用非常普遍,但这种敏感器并不能应用于月球探测任务,因为月球没有大气层,不具有稳定的红外辐射带,但有稳定的紫外辐射。用紫外月球敏感器作为嫦娥-1的“眼睛”观察月球,可以在各种月相下工作,包括新月、上弦月、满月、下弦月,甚至出现日全食时也可以正常工作,无需地面站支持,即可直接获得对月的俯仰角和滚动角,确定绕月探测器飞行轨道是否平行于月面。

4、解决三体定向问题。以前的地球卫星是两体定向:太阳电池翼对太阳定向,测控通信和有效载荷对地球定向。但月球是三体定向:太阳电池翼对太阳定向,探测仪器对月球定向,收发天线瞄向地球。一个飞行器同时进行3个方向的定向,在技术上难度很大。因此,首次采用了双轴天线自主指向控制技术,使天线可以上下左右自由活动,能在半球空间内实现高精度指向定位要求,从而具有对地球的跟踪指向能力,将科学探测和遥测数据准确传回地球,并降低通信天线的功耗。

5、温控技术。嫦娥-1绕月飞行时,会受到太阳、月球、月球阴影、地球阴影(月食)和太空寒冷背景的影响,外部热环境非常恶劣复杂,月球表面温度变化剧烈,温差变化在120~-180℃之间。因此,研制出一套能同时适应地月转移和月球环境的温控系统,使嫦娥-1在热的时候能够散热,寒冷环境下又能够保证卫星温度,这是一个很大的挑战。 [12]

探月工程是继人造地球卫星、载人航天之后,中国航天活动的第三个里程碑。嫦娥一号卫星首次绕月探测的圆满成功,树立了中国航天的第三个里程碑,突破并掌握一大批具有自主知识产权的核心技术和关键技术,使我国成为世界上为数不多的具有深空探测能力的国家,实现了多个中国航天史及航天器的“第一”:第一次研制并成功发射中国首颗绕月探测卫星;第一次实现了绕月飞行和科学探测;第一次形成了深空探测任务的总体设计思路和研制流程,这些都充分体现出我国综合国力显著增强,自主创新能力和科技水平不断提高。 [13]

作为第一颗月球探测卫星,嫦娥一号卫星的研制过程攻克了很多近地卫星不曾遇到的难题,开辟了中国航天的新领域,为中国执行未来的深空探测任务积累了丰富的经验。 [14]

娥一号卫星开展的在轨试验,充分利用卫星的延寿期,获得了大量有价值的试验数据,为嫦娥二号、三号卫星的研制,提供了基础数据,对我国月球探测二期工程的开展和其它深空探测计划的实施,具有重要的工程意义、科学意义和实践意义。嫦娥一号卫星所开展的各项后续试验,一直是在有组织、有计划、分步骤进行的,试验的整个过程充分体现了目的明确,策划充分,方案细致,把握风险,步步推进的特点,最大限度地充分挖掘和发挥了卫星的潜能,取得了重要的科研成果。 [15]

虽然针对“嫦娥奔月”带来的经济效益还没有一个准确的数字,但美国的“阿波罗计划”给我们提供了借鉴,当年,“阿波罗计划”投资了256亿美元,但它同时创造了3000多项新技术,带动了美国高新技术的全面发展和工业繁荣,据估算,"阿波罗"计划的实施,每投入1美元,最后都能产生4~5美元的经济回报。。大到直径50米的射电望远镜天线,小到防爆配电箱,嫦娥一号工程的不少配套产品都来自民营企业。在我国航天领域,很多高科技原材料、元器件,从国外采购成本高国有企业自行研制时间长,从民营企业中采购军民两用产品,成了实惠的选择。航天技术能为医院创建无菌环境,原来用于确保宇航员呼吸洁净空气的技术,已经被医院用来杀灭细菌和病毒;另外,宇航员使用的水循环处理设备,将来可以用于净化被污染的泉水,达到符合饮用的标准。 [16]

获取“全月面三维影像”是嫦娥一号卫星取得的重要成果之一。在一年的时间里,该卫星按计划完成了南北纬70度的全月面的三维成像,并首次获取了月表极区的全部影像。根据中国探月工程指挥部的决定,卫星还开展了月球两极影像拍摄试验,至2008年7月1日,完整获取了月球两极的影像数据,补充制作了月球极区影像图。“嫦娥一号“看”遍了月球的每一寸土地,并完整传回了数据。 [13]

在经过494天的飞行之后,2009年3月1日,中国首颗深空探测卫星嫦娥一号以撞击月球的方式,结束了它的工作使命。探月工程首席专家欧阳自远评价“即使悲壮也值得”。 [17]

嫦娥一号卫星于2009年3月1日下午15时36分开始减速,经过37分钟的减速,卫星成功落在月球的丰富海区域。据北京航天飞控中心的最后确认:嫦娥一号卫星对月球的撞击点位于南纬1.50度,东经52.36度。北京天文馆馆长朱进说,“丰富海”是一个月海的名字,从撞击坑的坐标来看,是距离月球赤道比较近的一个点,从地球上能看到。 [17] 嫦娥一号卫星在轨运行一年中,共传回1.37TB(1TB=1024GB)的有效科学探测数据,获取了全月球影像图、月表部分化学元素分布等一批科学研究成果,圆满实现工程目标和科学目标。 [17]

嫦娥-1首次利用CCD立体相机获得了120m分辨率全月球影像图、三维月球地形图等成果,而且包含了月球的南北极。在此之前,全世界没有一个国家获得过月球的三维立体全月图。虽然月球的地图国外已绘制很多,但多为平面图,三维立体图很少,而且还有很多空白,因为月球上高纬度的地方太阳是斜照的,光线不足,拍照效果就差一些。一般来说,在70°(S)~70°(N)就很难拍摄了,南北极地区有些深坑,太阳永远照射不到,也没有绘制成地图。嫦娥-1采取与其他国家不同的思路,搭载1台CCD立体相机和1台激光高度计,两者结合起来就能绘制成一张比较精细、全面的月球立体地图,而美国的“克莱门汀”月球探测器曾获得过75°(S)~75°(N)之间的110m分辨率月球图像,但不包括月球的南北极。嫦娥-1的X射线谱仪和γ射线谱仪可以为月球透视,探明了14种有用元素在全月球上的含量与分布特征。比如关于氦-3,我们既验证了美国人的说法,也有自己的独特看法。美国人说月球上的氦-3资源量在1.0×10^6~5.0×10^6t左右,我们认为是偏向于低端的1.0×10^6t左右。如果用于未来核聚变发电,能够满足人类社会1万年以上的能源需求。 [12]

无论从工程上还是从技术上,嫦娥-1都获得了很大的成功,更重要的是通过这个项目培养锻炼了一批人才,平均年龄不到30岁,形成了我国深空探测的基本队伍,现在所有的深空探测项目队伍都是从这支队伍慢慢扩展、壮大成长起来的。

嫦娥-1投入了14亿元人民币,包括了探测器、火箭、2个地面站等,仅相当于修建2km地铁的费用。国家当时投了20亿元人民币,余下的6亿又作了个备份,即嫦娥-2,因为科学实验总要允许失败。 [12]

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