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四大“金刚” 护送“嫦娥” 【人民日报 2013年12月2日】
发表日期: 2013-12-02 作者: 人民日报 吴月辉
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从发射入轨,到奔月飞行,再到近月制动和实现月面“软着陆”,嫦娥三号探测器要克服很多困难,经历多道关卡。为帮助嫦娥三号探测器成功登月,科研人员突破创新多项技术为其护航。

  发射

  我国航天首次实现多窗口、窄宽度发射和高精度入轨

  嫦娥三号探测器由长征三号乙改进型运载火箭直接发射至近地点高度200公里、远地点高度38万公里的地月转移轨道。为确保完美登月,改进型火箭将实现多窗口、窄宽度发射和高精度入轨,这对我国航天发射来说是第一次。

  “嫦娥三号探测器比嫦娥二号卫星重很多,同时入轨精度提高了3倍多,这就对火箭的运载能力等方面提出了更高要求。经过综合分析,我们决定采用目前国内运载能力最大的长征三号乙改进型运载火箭来进行发射。”嫦娥三号运载火箭系统总指挥岑拯说。

  据岑拯介绍,此次改进型火箭通过窗口优化设计、软件在线切换技术研制、火箭三级增压输送系统适应性等技术改进和试验,由嫦娥二号的零窗口发射,增加至每个发射月有连续3到4天具备发射条件,每天有2个发射窗口,实现了多窗口发射。

  窗口,是指火箭发射比较合适的一个时间段,宽的可以天计算,窄的只有几十秒,甚至为零。由于太阳、地球和其他星体的相对位置在不断变化,即使发射同一类型、同一轨道的航天器,其发射窗口也是不固定的。

  “这次嫦娥三号共选择了6个发射窗口,每天有两个。第一发射窗口宽度为4分钟,如第一发射窗口未实施,则进入第二发射窗口,第二发射窗口宽度为1分钟。”

  运载火箭系统总设计师姜杰介绍说,多窗口、窄宽度的发射很难。首先是对轨道设计等方面的要求非常高。6个窗口需要6条轨道,它们的入轨参数和整个飞行轨道都是完全不同的。同时,每次发射为窄窗口或零窗口,发射时间的间隔非常短,需快速调整不同的弹道参数。

  变推

  7500N变推力发动机可实现连续变推,专为落月研制

  运载火箭发动机承担的任务,是将探测器推举到地月转移轨道。其后,嫦娥三号探测器推进分系统开始接力工作,开始漫漫探月和登月之旅。

  推进分系统,是嫦娥三号探测器的关键分系统之一,它承担了地月转移、近月制动、环月飞行、落月过程等全部轨控、姿控动力功能。“推进分系统中的7500N变推力发动机,是专为落月而研制的我国首台具有大范围变推力工作能力的液体火箭发动机。”专家介绍。

  与地球着陆方式完全不同,月面着陆是在真空状态下的软着陆,没有大气也就意味着不能利用空气摩擦实现减速。嫦娥三号探测器要实现月面安全软着陆,传统火箭发动机和推进系统无法完成这一任务。因为,在月球这一无大气天体表面进行的软着陆机动飞行中,传统发动机无法实现推力的变化。

  专家介绍:“新研制的7500N变推力发动机具有性能高、适应性强、燃烧稳定、结构简单、成本低廉等显著特点,可实现连续变推,从而满足完成月球着陆探测器中途修正、近月制动、动力下降、悬停等软着陆任务的要求。”

  具体来说就是,从地面起飞到月球着陆,探测器大约要飞行12天时间,7500N变推力发动机从地月转移飞行即开始工作,完成几次中途修正。探测器在近月制动后转入环月飞行。在近月面15公里左右,变推力发动机就开始根据即时速度不断调整推力,执行下降工作,到100米高度进入悬停段,探测器可在下降中随时悬停,识别并避开大的月面障碍,缓慢下降到几米后,发动机关机实施软着陆。

  定位

  测距测速敏感器把握速度和距离,是嫦娥三号的“眼睛”

  登月过程中,最关键的莫过于掌控嫦娥三号的落月速度和距离。测距测速敏感器则可以通过把握速度和距离的信息,使探测器轻盈完成任务。

  可以说,测距测速敏感器就是嫦娥三号那双明亮的“眼睛”。

  “当着陆器和月球表面的相对距离小于敏感器的最大作用距离时,测距测速敏感器就可以获得着陆器对于月球表面的距离和速度信息,以控制和调整探测器落月的速度及姿态。”专家说。

  嫦娥三号着陆器距离月球15公里的时候,安装在着陆器上的测距测速天线不断实时接收、发射信号,并及时传递至探测器的中央控制系统,进而实时判断嫦娥三号着陆器的速度和距离信息。

  专家说:“测距测速天线就像是安装在测距测速敏感器上的灵敏‘触角’,可以实时地掌握嫦娥三号着陆器相对于月球表面的速度和位置信息。”

  当测距测速敏感器距离月球几公里的时候,这些“触角”将同时开始工作。在这些“触角”的后端还配备了数据传输通道。测距测速天线及数据传输通道将为嫦娥三号探测器的落月电视直播全过程发送信号。

  在探测器下降过程中,与测距测速敏感器配合使用的还有激光测距敏感器。

  专家介绍,和火箭分离之后,整个探测器从地球飞向月球的过程基本上只能依靠其自身的惯导系统来提供它的姿态和方位的数据。激光测距敏感器主要任务就是在着陆器靠近月面的情况下,为从距月面15公里处开始进行的主动段减速提供一个垂直于月面的精确的距离数据。

  着陆

  4条“着陆腿”缓冲月面巨大冲击能量,保证探测器稳定

  探测器降落月面时,来自月面的巨大冲击能量是其能否安全着陆的最大的威胁。要想平稳地站立在月面上,着陆器必须有一双非同寻常的“腿”。

  着陆缓冲机构俗称“着陆腿”,据专家介绍,着陆腿的特点可以用8个字概括:强、轻、柔、稳、多、新、全、难。例如,它要承受着陆时的冲击,一定要有足够强度,不能在着陆过程中裂开或折断,也就是说,它要能够承受来自垂直和水平等各方向的压力、冲击力。同时,还要通过使用相应的缓冲材料,保证着陆器以非常柔和、舒适的方式着陆,从而确保着陆器和仪器设备的安全。并且,在着陆过程中通过4条着陆腿的协调工作,保证探测器姿态的稳定。据专家介绍,着陆腿的功能还有收拢、展开、支撑、指示等。执行指示功能的部位可以被形容为“鞋底”,在“鞋底”上有一个开关,一旦触月的动作实现,它就发出一个信号,一旦这个信号稳定地传输到地面上,就意味着稳定落月了。

  嫦娥三号着陆器有4条腿,每条腿上有两根拉杆缓冲器,冲击能量就是主要靠它来吸收掉的。专家介绍说,拉杆缓冲器使用的是一种新材料,这种材料的整个应力和应变过程非常稳定,波动非常小,因此吸收能量也很稳定。
  《 人民日报 》( 2013年12月02日 10 版)

【人民日报】四大“金刚” 护送“嫦娥”

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