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嫦娥奔月:从启程到梦圆

     来源:中国航天报  发布时间:2007-11-28

从2007年10月24日发射至11月7日进入环月使命轨道,嫦娥一号卫星经过了326小时的长途跋涉,历经调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道三个阶段的8次变轨,终于完成了其艰巨的工程目标任务。继美国、前苏联、欧洲和日本之后,中国成为“月球俱乐部”的正式成员。

千万里,我追寻着你。从地球出发,嫦娥一号卫星完成了38万多公里的长征,终于实现了中华民族千年奔月的梦想。这是中国航天器进行的最远飞行,是中国走向深空的第一次长征,更是一次记录挑战、实力、跨越的华夏民族“新长征”。

此后,“嫦娥”将把其一年生命的全部绚烂,把中国人太空探索的第三个里程碑,永远竖在距月面200公里、周期为127分钟的优美圆弧上。从这里,她将久久地凝望、端详华夏子孙的梦起之地,并绘制出人们心目中中洁玉盘的真容。

战场转移到北京

10月24日,嫦娥一号卫星成功飞向太空,神州大地一片欢腾。正在大家还沉浸在发射成功的喜悦中时,西昌卫星发射中心一支30人左右的飞行控制小分队已经悄然撤离,他们在25日清晨坐上转场飞机,来到了另一个“战场”:北京航天飞行控制中心。

从西昌到北京

10月25日,发射日后的第一天。

经过一夜沸腾后的西昌卫星发射中心恢复了往日的宁静,火箭发射试验队员们心情很放松,他们要么在宿舍休息,要么漫步在层林尽染的大山深处沐浴秋景,尽情享受成功后的快慰。

长征三号甲火箭发射试验队的王立一大早就拿着篮球兴冲冲地去找他的球友——嫦娥一号卫星发射试验队的黄晓峰,他迫不及待地想用一场运动来彻底放松一下。来到黄晓峰的宿舍门口,王立却发现房门紧闭。正在他纳闷之时,旁边路过的保洁员向他说:别敲了,小伙子,他们在天刚亮时就去机场了。

原来,黄晓峰所在的飞控小分队已乘坐转场飞机飞回北京。11点半,飞机落地,一辆已经静候多时的大巴车把他们带到了位于北京唐家岭的北京航天飞行控制中心。

北京航天飞行控制中心又被誉为“卫星指挥决策中心”。在嫦娥一号卫星发射和入轨期间,这里24小时灯火通明。黄晓峰将和其他在9月底就已经进驻此地的试验队员们密切关注“嫦娥”的一举一动。虽然与家只有一条马路之隔,但他们却依然回不了家。他们需要记录下卫星在天上的各种遥测参数,确保卫星能正常进入环月工作轨道。

北京航天飞行控制中心指挥大厅对面,是一个集工作和休息于一体的“混合区”。墙上赫然贴着“飞控试验队质量目标”——精心准备、验证充分、认真操作、准确判读、措施有效、确保安全。进门处有两台电视机,用最小音量播放新闻但是行色匆匆的试验队员却没有一个人把目光投向它们。电视柜下是两大箱方便面和大盒的速溶咖啡,这是队员们值夜班时用来充饥和提神的食物。

84套预案未启用

10月31日下午3点,记者在北京航天飞行控制中心见到了嫦娥一号卫星副总师黄江川,提到即将进行第四次变轨的嫦娥一号卫星。他给出了“状态不错,平台所有设备正常,运行稳定,较为理想”的评价。黄江川受卫星总指挥兼总设计师叶培建的委托,于18日从西昌返回到北京,担起了卫星飞控试验队技术负责人的重任。

“飞行控制实际上是一个星地协同的过程,一方面需要地面测试准确,指令无误;另外一方面需要靠卫星自身提供支持。如果星地协作出现问题,将直接影响到卫星在轨工作的状况。”黄江川向记者举例说明了飞控工作失误将给卫星带来的损害:姿态失控、温度失衡、遥测间断等,更为严重者将使卫星丧失能源,进而丢失。

“针对卫星运行期间可能出现的意外,我们准备了84套预案,让我们很欣慰的是,这些预案至今尚未启动。我们前期付出的辛劳是值得的。我们把能够想到的工作都做到位了。”黄江川告诉记者,嫦娥一号卫星的飞控工作几乎和卫星正样研制同步展开。大量卓有成效的飞控预案制定、仿真系统的建设和支持工具的开发,为卫星的后续监控打下了良好的基础。

为了使“嫦娥”飞行更加顺利,有关单位专门为“嫦娥”量身打造出了一套飞控支持与仿真系统。这套几乎和卫星同步运行的地面“模拟系统”能够确保对正常情况下的卫星状态,以及各项操作进行复核和验证,并为下一步决策提供支持,确保决策的正确性和快捷性。在意外情况下,该系统通过对故障的判别和处理,也能及时为决策提供支持。“当然,我们不希望这套系统在这个方面发挥作用。”黄江川笑着说。

变轨精度超乎意料

GNC(制导、导航与控制)分系统副主任设计师戴居峰在发射当天晚上监视数据到深夜两点,第二天又从西昌卫星发射中心乘坐第一架转场飞机回到北京。

已经参加过很多次飞控工作的他认为,此次嫦娥一号卫星的飞控工作在所有卫星里算是强度最大的一次。当记者问及此次飞控过程有无“意外”时,戴居峰笑言道:“最大的‘意外’就是精度很高,超乎我们的意料。所有的数据都在我们控制的范围之内。”

据他介绍,卫星在设计上保证了安全性和可靠性,轨控过程中飞控人员还用了多重手段进行了发动机的推力标定、加速度计精度标定、轨控过程预先仿真,从而确保了卫星后续的变轨精度。

这些“前期功课”的准备使每一个决策都有充分的依据。“此次嫦娥一号卫星的精度在所有发射过的卫星中应该算是最高的一次,变轨精度已经达到了世界先进水平。”戴居峰告诉记者,这是目前最让他和同事感到骄傲和欣慰的地方。

10月31日,嫦娥一号卫星成功进行了第四次变轨,顺利进入地月转移轨道。

11月1日,嫦娥一号卫星第四次变轨后的第一天。

北京航天飞行控制中心主任朱民才在接受媒体采访时表示,嫦娥一号卫星第四次变轨非常成功,控制精度误差小于万分之四,第一次轨道中途修正计划已经取消。

千万里的追踪考验

从地球到月球,“嫦娥”的身姿虽然没有传说中那种仙女升天的飘逸,但却创造了许多更完美、更生动、更鲜活的“婀娜风采”。与此同时,和天上的“嫦娥”相对应的“世间凡人”,也在演绎着井然有序的忙碌、运筹帷幄的自信。

国际联合测控一路护驾

在远望二号、三号测量船工作人员的心目中,他们10月31日的努力犹如为“嫦娥”送上了一件美丽的嫁衣,使她的奔月之路更加精彩。当天17时守候在岗位上的他们在翘首企盼中终于在仪器上再次看到了“嫦娥”的倩影,随后他们向北京航天飞行控制中心发出了最新的监测数据。随着“卫星主发动机点火”口令的发出,瞬时,飞行在南太平洋上空600公里的嫦娥一号卫星立刻穿上了长长的橘红色拖裙,开始了真正的奔月历程。测量船上骤然响起的掌声和欢呼声,伴随着阵阵波涛,在大洋上久久回荡。

以10.58千米/秒的速度运行的嫦娥一号卫星、很快便飞离了远望号测量船的测控范围。

那么,如何对处在“娘家人”测控视线以外的“嫦娥”的婀娜身姿进行有效测控?绕月探测工程测控系统副总设计师董光亮给出了答案:“这方面,我国积极开展了国际合作,充分借助国际航天测控资源,有效提高了嫦娥一号卫星测控覆盖率和测控精度,增加了可靠性。”

11月1日12时,北京航天飞行控制中心根据国际通用的传输协议,首次应用国际标准实现与欧空局所属的空间操作中心联网,开始启用国际测控站来测控嫦娥一号卫星。

在11月1日12时至15时的三个小时内,北京航天飞行控制中心与欧空局所属的空间操作中心、新诺舍站、马斯帕拉马斯站及库鲁站实现联网,新诺舍和马斯帕拉马斯两个航天测控站开始对嫦娥一号卫星进行试验性跟踪,取得了令人满意的效果。通过新诺舍站,北京航天飞行控制中心有效地接收了嫦娥一号卫星的遥测数据;通过马斯帕拉马斯站,北京航天飞行控制中心进行了遥测遥控、测距和测速的试验。

在试验取得成功的基础上,库鲁站从15时开始正式对嫦娥一号卫星进行跟踪,北京航天飞行控制巾心通过库鲁站进行了卫星遥测遥控、测距和测速的工作。随后北京航天飞行控制中心还通过智利的CEE测控站对嫦娥一号卫星进行了有效的测控。

至此,嫦娥一号卫星真正实现了国内外航天测控网的联合测控。

“刹车”成功后他们激动地哭了

11月5日11时左右,在地月转移轨道上经过114小时、近40万公里长途跋涉的嫦娥一号卫星,终于来到了距月球约200公里的近月点,飞行速度为2.4千米/秒。此时,北京航天飞行控制中心指挥大厅内一片寂静。工作人员在紧张有序地为嫦娥一号卫星的第一次“刹车”做着最后的测算和准备。早早来到现场的领导和专家们都目不转睛地盯着前面的大屏幕,上面显示着仿真系统根据遥测信号模拟的嫦娥一号卫星飞行状态图和各种飞行参数,卫星的实际轨道和本次“刹车”的目标轨道分别以不同的颜色清晰地标示在屏幕上。

11时15分,随着“主发动机点火”口令的发出,千万里的追寻终于迎来了最激动人心的一刻!

时间在一分一秒地慢慢流过,2.4千米/秒、2.3千米/秒、2.2千米/秒……大屏幕上显示的卫星速度越来越慢。11时37分,卫星速度终于降到了可以确保被月球捕获的2.06千米/秒以下。第一次“刹车”以非常完美的形式获得成功!顿时,指挥大厅内掌声雷动,欢腾一片。绕月探测工程总设计师孙家栋、月球应用科学首席科学家欧阳自远,情不自禁地拥抱在了一起,激动的泪水夺目而出。

中华民族的千年梦想即将实现!他们的泪水代表着世代华夏儿女对奔月之梦的美好期盼,更代表着中国航天人为这一梦想付出的无尽艰辛。

此时,嫦娥一号卫星从地月转移轨道进入近月点约为200公里、远月点8600公里,周期为12小时的月球椭圆轨道。

身处现场的嫦娥一号卫星轨道设计者、航天轨道设计专家杨维廉难抑激动地告诉记者,嫦娥一号卫星已经成为一颗真正的月球卫星。“在卫星建立使命轨道的三次‘刹车’制动中,第一次‘刹车’尤为重要。一旦第一次‘刹车’失败,嫦娥一号卫星将不能被月球引力场捕获,就会离开月球和地球而飞入遥远的太空。这意味着绕月探测的失败。”

11月7日,嫦娥一号卫星在经过三次“刹车”制动后,顺利进入距月面约200公里、周期为127分钟的圆轨道,这一轨道正是卫星即将展开各项科学探测任务的使命轨道。

国家航天局局长孙来燕在接受采访时说:“从发射到实现绕月,嫦娥一号卫星的表现可以用两个字来形容——完美!实现绕月飞行,标志着绕月探测工程取得了阶段性胜利,也标志着中国航天正式进入了深空探测的新时代。”

当天,中华人民共和国中央军委副主席曹刚川到北京航天飞行控制中心现场,观看了嫦娥一号卫星第三次“刹车”全过程。在飞控试验队队员的欢呼声巾,曹刚川同他们一一握手,表示慰问和祝贺。期间,他紧紧地握着杨维廉的手足有1分钟之久,并不停的称赞道:“你们设计了最完美的奔月路线。”

月球,我能适应你

嫦峨一号卫星进入科学探测轨道后,后续这段时间的主要工作是对卫星进行在轨测试。11月9日的北京航天飞行控制中心,已恢复了往日的平静。只有GNC系统、推进系统、数据管理系统、供配电系统、热控系统、测控数传系统等几个分系统的工作人员在忙碌着。

自我调节 何惧冷热

嫦娥一号卫星热控系统主任设计师邵兴国告诉记者:“月球是个极为荒芜的世界,其周围无大气,因此月球上温差很大,在太阳的照射下,满月时玉盘中央的温度最高温度近130t,而此时月球的背面,最低温度在零下180℃。

在休息室,他平静地告诉记者:“我的心情不再忐忑不安,现在已经很放松了。”经过发射后这几天的考验,同事们都告诉邵兴国,卫星热控系统很“健壮”,经得起折腾。这点让他很高兴。

回忆起这几天的感受,邵兴国说:“最紧张的时刻是在卫星不断地向月球靠拢的那段时间。虽然卫星在地面接受过试验验证,但月球环境毕竟是我们第一次面对的特殊环境。”

卫星第三次制动在月球的阴面完成。之后,它才飞到了月球的阳面。11月6日,在第三次制动之前,一位领导急冲冲地找到邵兴国问:“月球上的温度很高,为什么现在还没有显示出来?”心情同样紧张的邵兴国笑着回答:“现在还没有到那个时刻。”当卫星飞到月球的阳面,数据马上显示,太阳帆板的温度是97℃。他说:“这证明,之前我们对月球的预测是准确的,也让人们看到了月球环境的确很恶劣,这个温度是以前我国其它所有卫星没有遇到过的。”

11月7日,负责调试紫外敏感器的同事来问邵兴国:现在开机是否合适,对温控系统有没有压力?包括卫星从巡航姿态转入工作姿态,相关分系统也要来征求他的意见。由于热控系统比较“健壮”,所以邵兴国很有把握。他告诉记者:“目前,卫星的热控环境可以满足一般仪器开机的要求,一些大功率仪器较短时间开机工作,也不会影响别的设备。”

“日凌”干扰能奈我何

11月10日清晨6点,北京的天空格外晴朗。在北京航天飞行控制中心,嫦娥一号卫星的测试队员早早地各就各位。大家都略为紧张地看着前面的大屏幕。屏幕上出现这样一幅图:月球飞到太阳和地球之间,三个星球几乎成了一条直线。此时,太阳发出的强烈电磁波严重地影响了嫦娥一号卫星和地面的通讯。这就是“日凌”现象。它干扰了地面与卫星的通讯,甚至造成45分钟的通讯中断。

据了解,从11月8日下午开始,地面与嫦娥一号卫星的通讯开始受到了“日凌”的干扰。而10日上午6点49分,干扰达到了最高值。

记者找到卫星测控数传分系统主任设计师吴学英。他憨憨地笑着告诉记者,当“日凌”到来时,他正在北京航天飞行控制中心值班。面对日凌现象,他一点都不紧张。因为“日凌”并不会影响卫星向地球发送信号,而真正受影响的是地面测控站。

11月11日,北京航天飞行控制中心总体室副主任陈险峰接受媒体采访时说,“日凌”时,青岛测控站收到了卫星发来的遥测数据,数据没有出现丢帧和乱码现象。他说,嫦娥一号卫星能够这么安然地渡过“日凌”,青岛测控站的巨型天线起了很大的作用。该测控站使用了一个直径为18米的接收天线,它相当于一个聚光的手电筒,太阳和卫星没有运行到一条直线上时,尽管是一个很小的角度,我们也可以通过很窄的波束把卫星的信号剔出来。

北京航天飞行控制中心总体室主任李健也表示,在“日凌”过程中,地面测控站不能保证连续跟踪卫星,但他们会提前把一些需要执行的指令发送给卫星,即使看不到卫星了,卫星也能按照预先设置的指令去正常执行,从而保证了卫星的安全。

走向成功 收获圆满

当嫦娥一号卫星第三次近月制动顺利完成时,坐镇北京航天飞行拉制中心的绕月探测工程总指挥栾恩杰和总设计师孙家栋两位“大老总”的手再一次紧紧握在了一起。在这激动人心的时刻,握手也许是这对航天领域“老战友”最好的交流。为了实现工程的目标,他们携手一路走来。但是,他们深知,要实现科学探测目标,后面还有一段艰巨的路要走。当时身处北京航天飞行控制中心的航天科技集团公司总经理马兴瑞在接受采访时也说、中国绕月探测工程的目标已经基本实现,下一步的科学探测任务还很艰巨。

11月26日,第一幅月面图像展现在世人面前,艰巨的任务又有了美丽的开始。

有效载荷放响太空鞭炮

嫦娥一号卫星第三次近月制动成功这一天,中国空间科学应用中心主任吴季感到如释重负。他用平和的语气说:“有效载荷经过地面1000多小时的测试,终于可以在月球轨道工作了。”

11月19日,嫦娥一号卫星由巡航姿态转入对月定向工作姿态后,全部探测仪器开机进行分析处理。绕月探测四大科学目标的最终完成要靠卫星上的有效载荷,绕月探测工程的“大老总”们风趣地说,舞台搭好了,戏演得怎么样就看“有效载荷”了。

嫦娥一号卫星进人环月轨道后将从四个方面开展对月球的科学探测:第一,获取月球表面三维立体影像;第二,分析月球表面有用元素及矿物质的含量和分布;第三,测量月壤的厚度和评估月壤中氦-3资源量;第四,探测地球-月球空间环境。

卫星系统中的有效载荷研制任务是由中国科学院承担的。空间中心作为有效载荷总体单位进行设计和研制,中科院高能物理研究所、西安光学精密机械研究所、上海技术物理研究所、南京紫金山天文台等单位分别担负了八种探测仪器和24件硬件产品的研制生产。

卫星系统副总师、有效载荷总师孙辉先,曾参加过双星计划、六次神舟飞船等重大的航天任务,是位经验丰富的“老航天”,但说到“嫦娥”,他认为是复杂度和协调难度最高的一次,星上的有效载荷不但科学性高,而且研制难点多。为了等到星上科学数据传回地球的这一天,孙辉先和同事们进行了大量的攻关,他几乎是把工作和业余时间合二为一,全部“泡”在了一线。

在嫦娥一号卫星发射前记者采访吴季时,他说:“这个时候我们什么话都不能说,搞卫星有效载荷的人都知道,我们是最后放鞭炮的。”

据有效载荷专家们介绍,卫星系统有效载荷分系统中的创新多,除了空间环境仪器,如高能粒子探测器外,其它仪器基本上都是自主设计研制的。获取月球表面三维立体影像,给月球画像,嫦娥一号卫星是利用 CCD立体相机和激光高度计来实现;分析月球表面有用元素及矿物的含量和分布是通过X射线谱仪、7射线谱仪及干涉成像光谱仪来实现;嫦娥一号卫星利用微波辐射计探测月壤,目前在全世界尚属首次;探测地月空间环境,是靠卫星上携带的高能粒子探测器和太阳风离子探测器来完成的。专家们预计,到明年1月中旬,星上所有对月探测仪器都将覆盖月球一次。

激情时刻 同赏月球大礼

37年前,东方红一号卫星播放的《东方红》乐曲曾经轰动世界。今天,传承着中国航天无比骄傲的这首乐曲从嫦娥一号卫星传回时,中国航天人又一次心潮澎湃。

11月26日,“嫦娥仙子”的声音——乐曲《东方红》、歌曲《歌唱祖国》,回荡在首次月球探测工程第一幅月面图像发布仪式上。从此,神州大地将能陆续收听到从嫦娥一号卫星传回的30首歌曲和2首特别歌曲。

据专家介绍,嫦娥一号卫星播放的所有歌曲、戏曲、器乐曲都被存放在一个特殊的存储器——语音存储装置中。在卫星进入绕月轨道后,经地面向卫星发送指令,存储器中各种语音作品的信号便从38万公里之外传回地球。地面接收系统把这些信号接收下来后,转发给全国各地的电台、电视台。

同一个场景,又是一个激动。国务院总理温家宝代表党中央和国务院出席了我国首次月球探测工程第一幅月面图像发布仪式,并为图像揭幕。第一幅月面图像的完成和公布,标志着中国首次绕月探测工程取得圆满成功。呈现在世人眼中的这幅月面图景,是由嫦娥一号卫星搭载的CCD立体相机采用线阵推扫的方式获取,轨道高度约200公里,每一轨的月面幅宽60公里,像元分辨率120米。

从11月20日开始,随着CCD立体相机开机工作,地面应用系统获得第一批原始图像数据,经过对接收的图像数据进行技术处理,并对19轨图像进行拼接,技术人员完成了第一幅月面图像的制作。

嫦娥一号卫星首飞任务实现了准时发射、准确入轨、精密测控、精确变轨、成功绕月的目标,飞控精度和完美过程令世界瞩目。卫星绘制出的第一幅月面图像,为中国航天绕月探测浓墨重彩、锦上添花的这一笔,带给世界的又是一个大大的惊叹号。叶培建心底还一直藏着美好的期盼:希望卫星圆满完成一年的月球探测任务,希望二期工程早日立项,希望第二颗月球卫星早日发射……

深空探测无穷期,中国航天人前行的脚步绝不会停止,今天的“最远”在不远的将来,也许会成为中国航天驶向新征程的一个美丽港湾。(陈全育 宋丽芳 黄希 黄琦)