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他们将“嫦娥”送上月球
送交者: 付毅飞 胡唯元 2007年12月12日15:47:39 于 [军事天地] 发送悄悄话

  2007年11月26日,嫦娥一号首张月面图片正式发布,标志我国首次绕月探测工程取得圆满成功。

  在这举国欢庆的时刻,有一群人的名字将被载入中国航天史,正是他们一步步将“嫦娥”送往月球,将中华民族千年奔月梦想变成现实。

  “今天下班怎么这么早?”

  2004年1月23日,经温家宝总理批准,我国月球探测计划的第一步———绕月探测工程正式启动。其中,工程五大系统之一的卫星系统研制由航天科技集团公司中国空间技术研究院领军负责。中国科学院院士叶培建担任卫星总指挥、总设计师,肩负起制造“嫦娥”的重任。

  没有成熟的经验可借鉴,没有充分的数据去参考,没有试验星,却要在3年多时间内实现“精确变轨,绕月飞行,首飞成功,一年寿命”的探测工程目标。叶培建带领着一支平均年龄不到30岁的年轻团队接受了挑战。他们在充分利用现有卫星研制成果的同时,针对月球探测卫星的新特点,集思广益,开拓进取,3年多来先后攻克了月食、轨道设计、两自由度数传定向天线研制、卫星热设计、制导/导航与控制分系统设计、测控数传分系统设计、紫外月球敏感器、数管分系统设计等一系列技术难题,拿下了一大批具有自主知识产权的核心技术,创造了中国航天器研制历史上的一个奇迹。

  从距地7万公里到地月38万公里的距离,卫星各类信号面临着严重衰减的问题,而当时的状况是我国测控站只能支持略大于地球同步轨道卫星的高度。如何大幅提升远距离测控技术,是卫星要解决的关键问题。在确定测控数传分系统设计方案的过程中,主任设计师吴学英带领工作人员日夜攻关,最终得到了多项创新方案,提高了全向天线的增益和全空间覆盖范围,减少了信号的功率损失,降低了遥控码速率并提供高低两种遥测码速率,提供了多档码速率,设计了多种灵活的工作模式,改进了双通道发射链路的设计。这些创新方案确保了嫦娥一号能够把宝贵的科学探测数据稳定可靠地传回地面。

  2005年上半年,我国气象部门预测到,嫦娥一号在一年的寿命期内不可避免要经历两次月食,这又是一个巨大的考验。月食发生时,太阳光被挡住,卫星将失去太阳能供电;同时,周围环境变得异常寒冷,卫星上的仪器将有可能无法工作;此外,月球表面的热环境也十分复杂。这些都将对卫星的供电能力、热控的维持能力、星上状态设置的准确性和最小功耗模式的稳定性造成很大影响。对此,热控工程研究室主任设计师邵兴国和同事们通过各种补充试验来设法提高嫦娥一号生存能力和可靠性。蓄电池组低温放电能力、温度维持能力、各设备的低温耐受能力……他们全面分析了各种不确定性因素,改进了相关分系统的设计,对关键环节进行了专项试验验证,对卫热设计和数管软件进行了修改和完善,使卫星能够抵御住巨大的冷热温差。

  制导/导航与控制系统(GNC)可谓是卫星的大脑,可以自主指挥卫星做出各种动作,也可以按照地面站的指令让卫星在太空中按照人们的意图工作。其中,我国首次在卫星上使用的紫外敏感器是GNC的一个亮点。过去我国的卫星都是地球卫星,装备适合地球环境的红外敏感器;但月球没有大气层,也就不可能具有稳定的红外辐射带,所以在嫦娥一号上不能使用红外敏感器作为月球的敏感器。为确保三体定向的精度要求,副总设计师黄江川、主任设计师张洪华带领GNC团队设计出适合对月遥感的紫外敏感器,来获得月球平面基准信息,并以此测量卫星对月地指向的姿态偏差,调整卫星的姿态,让它作为“眼睛”来观察月球。紫外月球敏感器是一全新的具有国际水准的设备,在150度大视场光学设计、复杂月像处理并提取姿态信息及整机地面试验与验证等方面均有所创新,产生了若干项自主知识产权。

  每当谈到自己的团队,叶培建总是充满了自豪。他笑着对记者说:“嫦娥一号卫星任务重、时间紧,加班加点是家常便饭,我们有时候晚上十点下班,同志们还说:‘今天下班怎么这么早啊’!”

  “大帅”的三个“拜托”

  10月2日,刚接过航天科技集团公司帅印不久、兼任绕月探测工程领导小组副组长的马兴瑞飞抵西昌卫星发射中心。

  作为我国探月大戏的开篇之作,嫦娥一号发射的日子逐渐临近。虽然参与组织过数十次宇航发射、成功地将数十颗卫星送入太空,但马兴瑞此时仍不敢有丝毫懈怠。

  他马不停蹄,先后听取了长征三号甲运载火箭、嫦娥一号卫星“两总”系统的工作汇报,详细了解了火箭、卫星进驻西昌卫星发射中心以后准备实施发射的相关情况。得到“火箭、卫星的状态均正常完好,发射前的各项准备工作进展顺利”的答复后,他并没有感到轻松,而是立刻接上一连串“拜托”:“拜托大家一定要把工作做细,拜托一线操作队员一定要杜绝误操作,拜托大家一定要做好预案,防止突发事故……”听着大帅诚恳的话语,在场人员心中一股神圣的责任感油然而生。

  10月3日清晨,大凉山小雨霏霏。群山环抱之下,一场特殊的升旗仪式在这里庄严举行。在雄壮的国歌声中,300多名发射队队员一同注视着国旗冉冉升起,马兴瑞同队员一起,庄严地举起了右手,面对国旗,响亮的誓言划破长空,久久回荡在山谷中。

  “发射准备,5秒、4秒……1秒……发射!”

  10月24日18点05分,随着0号指挥员李本琪的“点火”口令,长三甲火箭喷薄出耀眼的火焰腾空而起,把嫦娥一号送入太空,隆隆的声响震撼着发射场。在经历了等待、期盼、紧张之后,全体发射队员爆发出成功的欢呼声,紧紧拥抱在一起。

  为满足嫦娥一号的发射要求,2006年初,长三甲火箭总体主任设计师陈闽慷就带领总体室完成了13个专业的总体设计。

  由于大工程总体计划调整,嫦娥一号发射时间也被推迟,随之而来的是一系列技术状态调整:发射推迟后测发控模式需要全面改进,由原来的近控模式改为现在的远控模式;发射工位由原来论证的西昌2号发射工位变更为新建的3号发射工位;由于发射时间的变化,发射轨道都是全新的。

  火箭设计,总体先行。一系列的状态变化要求总体设计13个专业全部重做,而且越快越好。因为只有尽早明确总体要求,才能给分系统赢得时间,确保满足如期发射的要求。然而接到工程大计划调整通知时,正值长三甲系列火箭高密度发射高峰的时期,在连续两个月内要完成三次发射,设计师队伍大多数在发射场执行发射任务。面临着发射任务和设计任务的双重压力,陈闽慷忙而不乱,不但妥善解决了人力资源的紧缺,按时将总体设计工作完成,同时还圆满完成了其他发射任务。

  在40万公里外放飞“嫦娥”

  在运载火箭发射和嫦娥一号的飞行过程中,关键是依靠测控系统保持星地之间的联系,完成对卫星的遥测参数接收处理、飞行控制和轨道的测量与确定任务。如果把嫦娥一号比作风筝,测控站就是牵住风筝的线,而地面测控中心的工作人员们则是那些放飞风筝的人。

  绕月探测工程测控系统副总设计师董光亮曾表示:“绕月探测工程是我国首次开展的深空探测任务,目前,我们才为‘嫦娥’修筑了一条出征小路,将来,我们要为它修筑一条高速路。”

  对嫦娥一号发射和在轨运行的测控系统,是经过对我国现有S频段航天测控网适应性改造和功能性扩充,辅以甚长基线干涉天文观测网的基础上实现的。以往我国的绝大部分卫星距离地面在4.2万公里以内,个别卫星离地面最远距离也不过8万公里,属于近程范围;而在绕月探测工程中,嫦娥一号距离地面最远可达44万公里,属于远程范围,轨道测控难度大大增加。美、俄等空间大国解决这个难题的主要办法是投入经费和时间,建造大口径天线。

  由于我国国土面积的限制和地球自转的影响,仅利用我国境内的地面测控站不可能实现对嫦娥一号的连续跟踪覆盖。为了提高测控系统的可靠性、增大测控覆盖率,董光亮提出了与欧洲航天局开展国际联网的建设性思路,即利用欧洲航天局的地面站为嫦娥一号提供测控支持,从而开启了与欧空局的测控合作之门,形成“国内测控站(船)+国外测控站”的全球布站方案,使嫦娥一号的测控覆盖率达到了98%%以上。

  为确保中欧双方之间测控接口的匹配性和正确性,董光亮组织了利用我国探测一号卫星进行欧空局地面测控站的测距兼容性试验。结果表明,欧洲航天局地面测控站可以用于嫦娥一号的测控支持服务。为了确保改造和扩充后的测控系统对嫦娥一号实施测定轨的工程可以性,在与欧空局商定后,董光亮抓住其SMART—1月球探测器在轨运行的机会,策划组织进行了我国测控系统对SMART—1环月飞行探测器的综合测定轨试验,不但实战验证了我国改造后的测控网能够满足绕月探测任务要求,而且证明我国的综合测定轨精度与欧空局相当,达到了国际同类水平。

  从绕月探测工程立项到嫦娥一号飞天,绕月探测工程测控系统主任设计师李海涛亲历了整个系统的建设过程,几年来四处马不停蹄地奔波,乐此不疲。为早日解决远距离高精度测控问题,他反复论证,提出在原有测控设备基础上增配一套18米单收天线,以解决下行链路电平不足问题的方案,得到了工程总体的认可,使星地测控信道性能,比用于地球卫星测控的原有设备天线有了明显改善,增强了系统的可靠性,使地面测控站的作用距离从地球范围延伸到月球范围。

  针对嫦娥一号测控的特点,为解决信号弱、测量精度不高的问题,李海涛在总体设计中提出窄带测量技术。即提高信噪比,信道比越高测量精度越高。由于信号的强度已达到最大限度,只能压缩接收机的环路带宽来提高信噪比。针对月球探测相对动态较慢、变化比较小的特点,对有关测控站的设备进行了改造,提高信噪比,通过对欧空局SMART—1卫星的跟踪测量,验证了窄带测量对提高测量精度的贡献。

  把青春的梦想编织在奔月路上

  北京航天飞行控制中心作为嫦娥一号绕月探测任务的“领航人”,对卫星进行了全程控制。38万公里的太空旅程,上百个太空动作在这里执行,上千条指令从这里发出,数以万计的数据在这里汇集……通过科研人员的共同努力,嫦娥一号任务成功突破了地月转移轨道控制、月球卫星精密定轨、大延时多模态卫星监视与控制、多体制联合测控4项关键技术,确保了整个任务状态正确、计算精确、控制准确。

  北京航天飞行控制中心科研团队是一支朝气蓬勃的群体,青年人约占80%。在中心274个关键岗位上,大多是1994年以后毕业的大学生,主要课题的负责人平均年龄不到30岁。在漫漫奔月路上,这一批青年专家,把自己青春的梦想编织在奔月路上。

  软件室遥测组组长郄卫军,是2005年的清华大学硕士毕业生。在嫦娥一号任务准备中,他严把遥测软件质量关,带领全组人员顺利完成嫦娥一号任务遥测软件的编写,在第三方评测中整个遥测配置项程序一次通过,没出现一处错误。800多个卫星遥测参数的技术状态经过他的多次修改,精确反映着最新任务状态,其中的72个进程模块历经调试、双百覆盖单元测试、部件测试、配置项测试和安全性分析,无一差错。

  实现航天测控网的全程覆盖,需要应用全新的传输协议。网络专家王霞带领项目组面对他们陌生的技术领域,首先把10余本可供参考的全英文资料“啃”了下来。他们的工作计划表细化到每天每个小时,泡在机房里加班成了一种习惯性状态;轨道室高级工程师李革非由于长期紧张劳累的工作,在任务期间患上了面部神经性痉挛症,住院手术后她就让同事把电脑带进病房,继续对轨道精度做反复论证计算,结果住院1个月,她算了半个月;马晓鹏和邵华是一对“航天夫妻”,为了确保任务期间数据指令交互畅通,在卫星通讯站工作的马晓鹏忙起来时根本无暇照顾怀孕的妻子。对此,同样身为一线的邵华给予充分理解。她打趣地说:“现在我们是全家总动员。”

  无数个夜晚的挑灯夜战,无数次的讨论研究,无数次的模拟联试,一套套方案从原始走向成熟,一项项设计从图纸变成现实。他们的无私奉献和聪明才智为“嫦娥”铺就了顺畅的奔月之路。

  嫦娥一号升空以来,成功的喜讯不断传来,但飞控中心的科研人员们却依然保持着科技工作者特有的冷静。他们知道,还有一个又一个的挑战在等着他们。这之后的一年中,飞控中心还将统一调度各相关航天测控站,严密跟踪、测量与控制,通过遥测数据分析、计算,判断卫星的姿态、轨道、高度和星上载体的情况。

  征服太空的事业是辉煌而绚丽的,但那每一个辉煌和绚丽的背后,都凝聚着无数年轻科技人员奉献的身影。仰望灿烂的星空,我们常常为嫦娥奔月的故事动容;而发生在中国航天人身上的故事,比那个美丽的传说更感人,更让人铭记于心。

(责任编辑:赵竹青)

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