嫦娥一号：让月球不再遥远

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    随着中国绕月探测工程运行的步伐铿锵临近，集千宠于一身、凝聚着中华民族千年梦想和希望的“嫦娥一号”绕月卫星即将告别地球，飞向距离我们38万千米外的月球，在绕月轨道上展开为期1年左右的对月探测活动。

　　当然，这次“嫦娥一号”的出访并不是单兵作战，它将与身后的运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面应用系统一起组成绕月探测工程五大系统，既分工又合作地共同完成地球总部赋予的绕月探测任务，让这个距离地球38万千米的月球从此在世人的心目中不再遥远、神秘！

　　链接：“嫦娥一号”所要完成的探测任务(亦称为四大科学目标)

　　一，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。

　　二，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钛、铁等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。

　　三，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等。

　　四，探测地球至月亮的空间环境。月球与地球平均距离为38万千米，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等。

　　卫星系统：“嫦娥一号”奉命探月

　　对于我国正在实施的绕月探测工程，最受人们关注的热点就是飞往月球的使者——“嫦娥一号”月球探测卫星。因为此前，中国航天器所到达的距地球最远距离约为7万千米(2003年12月30日发射的“探测一号”卫星)。而要实现月球探测，“嫦娥一号”必须飞出地球引力场，进入到38万千米外的空间。同时，由于月球以及月球与地球、太阳的相对关系具有其固有的特点，因此“嫦娥一号”与一般的地球卫星有很大不同，研制并发射它要解决轨道设计，制导、导航与控制(GNC)，测控与数据传输，星上热控和电源分系统设计等关键技术问题。

　　综合各方面的因素，专家研制的“嫦娥一号”以如此身份出现在大家的眼里：外形呈立方体，体重2350千克左右，体积2000毫米×1720毫米×2200毫米，两大太阳能电池板分布在两则，最大跨度达18.1米，采用三轴稳定姿态控制，数据储存传输总量为39Gbit/24h，它的在轨运行寿命超过一年。

　　“嫦娥一号”还根据探测任务的要求将自己分为卫星平台和有效载荷两大部分。

　　它选用“东方红”3号卫星平台作为基本平台，但是又根据月球探测任务需要进行了技术改进。改进后的卫星平台包括GNC(制导、导航与控制)分系统、推进分系统、结构分系统、电源分系统、热控分系统、数据管理分系统和测控数传分系统。选用“东方红”3号卫星平台主要是由于它的高度可靠性，它采用了许多较先进的技术，如全三轴稳定、统一双组元液体推进、公用平台设计、大面积密栅太阳电池阵和高强度轻重量碳纤维多层复合材料等。

　　资讯：“东方红”3号卫星资料

　　“东方红”3号卫星是中国新一代通信卫星，主要用于电视传输、电话、电报、传真、广播和数据传输等业务。

　　它具有国际同类卫星(中型容量)的先进水平，于1997年5月12日由“长征三号甲”运载火箭发射升空，并准确进入倾角28.4°，周期10小时39分，近地点为207km，远地点为36194km的大椭圆转移轨道。 按预定飞行程序，在地面测控系统的测控管理下，卫星先后完成进入OBC太阳搜索模式；南北太阳电池阵展开；通信天线的展开；远地点变轨发动机经过第三次点火变轨，卫星进入准静止轨道，并完成定点捕获；5月20日16时卫星成功的定点于东经125°赤道上空。

　　“嫦娥一号”选用的有效载荷包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、伽玛/X射线谱仪、微波探测仪和空间环境探测仪(包括太阳高能粒子探测器和低能离子探测器)等。

　　CCD相机和激光高度计共同承担月球表面三维影像探测任务。其中CCD立体相机是拍摄全月面三维影像的专用相机，在中国属首次使用；激光高度计用于探测月球海拔高度，当它完成绕月旅行，月面每个探测点的海拔高度就一清二楚了。这些数值一旦与CCD立体相机拍摄的平面图像相叠加，就是一幅完整而精确的月面三维地形图。

　　成像光谱仪、伽玛/ X射线谱仪共同承担月表化学元素与物质探测任务。成像光谱仪用于获取月面光波图谱；伽马/X射线谱仪用于探测月球表面元素，两种仪器所获得的数据结合起来，就可以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；

　　微波探测仪承担月壤厚度探测任务。这次“嫦娥一号”身上携带的微波探测仪是世界上首次在探月卫星上装载微波遥感装置，用以实现对月面更为细致深入的探测，并将对所发回的数据进行反演和解析。微波探测仪除用于获取月壤厚度信息外，还能给出月球背面的亮度温度图和月球两极地面的信息。

　　空间环境探测仪进行地月空间环境探测。太阳高能粒子探测器负责捕获太阳宇宙线高能粒子如质子、重离子和电子等；而低能离子探测器则负责捕获太阳风中的低能离子体，并以此为基础研究地月空间环境。

　　链接：“嫦娥一号”随身携带的歌曲：

　　“嫦娥一号”为了让大家能够在地球上能够听到它的“脚步”声，特意携带了30首由公众投票选取的歌曲进行播放。这30首曲目是《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》、《阿里山姑娘》、《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》、《良宵》、《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》。此外，还有两首特别歌曲：我国的国歌《义勇军进行曲》和曾由我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”在太空奏响的乐曲《东方红》。到时候，地球上的我们只要将收音机调到合适的频道，就可以收听到。

　　运载火箭系统：“长征三号甲”携星奔月

　　这次“嫦娥一号”出访先要依靠强大的火箭推力，冲出地球引力圈，进入地球同步转移轨道(即GTO轨道)，然后“告别”火箭，利用本身携带的推进系统进行加速变轨，飞向月球。根据设计，“嫦娥一号”的运行轨道近地点为200千米，远地点为51000千米，属于大椭圆轨道。只有先期精准地将“嫦娥一号”送入预定轨道，才能准确完成以后的出使任务，因此，任务的艰巨性决定了需要用优秀的运载火箭。

　　经过重重考验，“长征三号甲”运载火箭脱颖而出，担当起此重任。“长征三号甲”运载火箭是中国历时8年自行研制的三级大型液体运载火箭。它是在“长征三号”运载火箭的基础上重新研制了第三级而构成。

　　下面我们来看看这位火箭家族的全能选手的表现：身长52.52米，一、二级直径3.35米，三级直径3米，整流罩直径3.35米。火箭起飞质量约242吨，起飞推力2962千牛。火箭一、二级采用常规推进剂四氧化二氮/偏二甲肼，三级采用低温推进剂液氧/液氢。火箭一级装有四台并联的液体火箭发动机，单台海平面推力为75吨，每台都可在伺服机构带动下作切向摇摆，以实现对火箭飞行姿态的控制。二级发动机由一台主机(推力75吨)和带四个小喷管的游动发动机(推力为4.8吨)组成，游动发动机喷管可作单向摇摆，以实现对箭体飞行姿态的控制。三级则采用新研制的氢氧发动机，具有真空二次启动能力，由两台独立的单管发动机并联而成，每台推力8吨，可在伺服机构带动下双向摇摆，实现对三级箭体飞行姿态的控制。

　　同时，“长征三号甲”运载火箭还拥有更灵活而先进的控制系统。可在星箭分离前对有效载荷进行大姿态调姿定向，并提供可调整的卫星起旋速率，具有很强的适应性。它主要用于发射地球同步轨道有效载荷，同时兼顾低轨道和太阳同步轨道等其它轨道有效载荷的发射，也可进行一箭双星或多星发射。

　　当然，为了适应“嫦娥一号”的探月特殊使命，“长征三号甲”火箭还在控制系统中增加了单机和线路备份，以确保在飞行过程中不出现任何偏差，万无一失。

　　资讯：中国新一代大推力火箭研制取得重大进展

　　国务院新闻办在2006年10月12日发表的《2006年中国的航天》白皮书里表示，中国将在未来的五年里研制新一代无毒、无污染、高性能、低成本和大推力的运载火箭，最终实现近地轨道运载能力达到25吨，地球同步转移轨道运载能力达到14吨。新一代运载火箭多项关键技术取得重要突破，120吨级推力的液氧/煤油发动机和50吨级推力的氢氧发动机研制进展顺利。

　　发射场系统：西昌发射中心送女出远门

　　这次“嫦娥一号”将在西昌卫星发射中心乘坐“长征三号甲”运载火箭开始它的探月之旅。作为中国三大卫星发射中心之一的西昌卫星发射中心将再次让世界瞩目。

　　始建于1970年的西昌卫星发射中心是以发射地球同步轨道卫星为主的航天发射基地，总部设在四川省西昌市，卫星发射场坐落在西昌市以北65千米处。担负通信、广播、气象卫星等试验发射和应用发射任务。选择这个它作为“嫦娥一号”的“送客站”出于它多方面的“特长”。

　　一是海拔高、纬度低。发射场地处东经102度，北纬28.2度，平均海拔1500米。卫星轨道倾角与发射场的纬度关系重大，纬度越低，离赤道越近，这就既可以充分利用地球自转的离心力，又可缩短从地面到卫星轨道的距离，从而节省火箭燃料增加火箭的有效载荷。

　　二是气候适宜，增强了发射窗口的机率。西昌地区属于亚热带高原季风气候区，年平均温度为摄氏16o，是中国年气温变化最小的地区之一。西昌地区雨旱两季分明，日照多达320天，几乎没有雾日，全年风速都很低。每年只有6月至9月为雨季，多半是夜雨和午后阵雨，其余月份皆为旱季，多是晴天，太阳辐射强，常常碧空如洗，风和日丽，这些气候条件大大地增加了年试验周期和发射窗口。

　　三是交通和通讯条件理想。距发射场50千米处是西昌飞机场，跑道长3600米，可以允许C-130、安-124和波音747等大型飞机起降。发射场距离成昆铁路和川滇公路都不远，加上东面的金沙江航道还可以水路通达宜宾、重庆直至上海，这些条件极利于运输所需物资和卫星、火箭产品。

　　除了这些因素以外，还有个最重要的原因：就是我在前面所讲的，它是一个以发射地球同步轨道卫星为主的大型航天器发射场，建成投入使用以来，先后成功实施发射了30余颗国内外卫星，是一个技术状态良好、技术成熟度较高的发射场系统。而根据绕月探测工程的总体方案，“嫦娥一号”的初始停泊轨道选择就是地球同步转移轨道，因此，目前的西昌航天发射中心的发射场技术状态可以满足“嫦娥一号”、“长征三号甲”的使用要求，能够胜任“嫦娥一号”的发射任务。

　　资料：我国目前使用的其他两大卫星发射中心

　　酒泉卫星发射中心 科学卫星、技术试验卫星和运载火箭的发射试验基地之一，是中国建设的第一个卫星发射场。它位于中国西北部甘肃省酒泉市东北地区，始建于1958年，占地面积约2800平方千米。酒泉卫星发射中心主要用于执行中轨道、低轨道和高倾角轨道的科学实验卫星及返回式卫星的发射任务。 “神舟”一号到“神舟”六号飞船相继从这里成功进入太空预定轨道。

　　太原卫星发射中心 位于山西省太原市西北的高原地区，地处温带，海拔1500米，始建于1967年。是中国试验卫星、应用卫星和运载火箭发射试验基地之一。太原卫星发射中心具备了多射向、多轨道、远射程和高精度测量的能力，担负太阳同步轨道气象、资源、通信等多种型号的中、低轨道卫星和运载火箭的发射任务。

　　测控系统：联合航天测控网护驾远行

　　“嫦娥一号”此次前往月球，可谓初出远门，且路途遥远，因此如何使它在茫茫的太空中不偏离航道、迷失方向就成为一项重要的工作。按照计划，此项光荣而艰巨的任务由五大系统之一的测控系统来完成。

　　科学地说，测控系统是“嫦娥一号”与地球之间的信息桥梁，它的任务就是负责完成对运载火箭及月球探测器的跟踪、遥测、遥控和数据传输等任务，通过它，我们可以了解“嫦娥一号”的飞行轨道、飞行状态，监测它的健康情况，对它发出各种控制指令以完成预定的任务操作。

　　此次任务对我国现有的测控系统提出了新的挑战。以前我国所进行的航天测控一般是采用统一的S频段航天测控网(USB)，尽管它经过了包括载人航天工程在内的地球卫星、载人飞船等的严格考验，证明了它的先进性、成熟性和可靠度。但是，对于月球探测工程来说，一方面，由于月球卫星距离地面测控站的距离比地球卫星远得多，所以测量控制的难度大得多；另一方面，我们对月球特别是其重力异常等情况了解不多，所以只有在确保“看得见”和“测得准”的基准下，才能及时“控得住”。

　　经过我国测控专家的多方研究、实验和论证，为了保证“嫦娥一号”探月的万无一失，采取了以S频段航天测控网(由北京、长春、青岛、西安、西昌、太原、酒泉、南宁、喀什等测控点以及远望号测量船构成)为主、以甚长基线干涉网(由北京、上海、昆明、乌鲁木齐四个天文观测站构成)为辅的联合航天测控网，并且在此基础上，根据探月的特点进行适当的技术改进，以满足“嫦娥一号”各飞行阶段的遥测、遥控、轨道测量和导航任务，让远行的“嫦娥一号”一路平安飞完它的闪光一生。

　　资料：嫦娥工程领军人物

　　2004年2月，嫦娥一期工程立项后，经国务院批准，成立以国防科工委主任张云川为组长，国防科工委、财政部、科技部、科学院、总装备部、航天科技集团等部门领导为副组长和成员的工程领导小组，并成立了领导小组办公室，负责整个工程的组织实施。任命了以栾恩杰同志为工程总指挥、主要研制主管部门相关领导为副总指挥的行政指挥线领导，任命了以孙家栋院士为总设计师，三个研制主管部门即总装备部、中国科学院和航天科技集团公司推荐的三位专家为副总设计师的技术设计师线领导，上述两条线的领导，就是一般我们通常所说的工程两总领导。

　　由于嫦娥工程是大科学系统工程，是根据科学需求而牵引出的科学探测工程项目，因此，工程两总的基础上，我国首次任命了欧阳自远院士为工程应用科学首席科学家。为了更好地组织落实嫦娥一期工程的研制与研制任务，国防科工委专门成立了国防科工委月球探测工程中心，负责具体组织工程的实施工作、协调等事务。与此同时，工程的五大系统即卫星系统、运载系统、测控系统、发射场系统和地面应用系统也成立了由指挥系统和设计师系统组成的两师系统的组织体系和相关项目办公室。

　　地面应用系统：聆听“嫦娥一号”在异乡的声音

　　当“嫦娥一号”飞到预定的轨道后，它就要按照地面工作人员的命令开始工作：获取月球表面三维立体影像；分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点；探测月壤厚度；探测地球至月亮的空间环境等。而且它这次是抱定“风萧萧兮易水寒，巾帼一去兮不复返”的坚定决心和英雄气概前往，所以它执行任务搜集到的各种数据尤显珍贵。

　　而地面应用系统一个重要的任务就是聆听“嫦娥一号”从异乡发回的音讯。科学而具体地说，地面应用系统将承担包括接收数据在内的多项任务，其中包括依据绕月探测工程的科学目标制定；绕月探测工程的月球应用科学计划；确定月球探测器中有效载荷的工作模式和探测计划；调度月球探测卫星上的科学探测仪器进行数据的采集；并根据科学目标对“嫦娥一号”的轨道和姿态提出控制指标。此外，它还承担推动月球探测的科学普及工作。

　　根据职责不同，地面应用系统分成运行管理、数据接收、数据预处理、数据管理、科学应用与研究五个分系统，总部则设在中国科学院国家天文台。

　　至此，我们知道，这次“嫦娥一号”的月球之旅是一次完整意义的“联合作战”：地面应用系统根据我国的航天技术以及月球本身的情况制定出探月的科学目标，然后围绕既定的科学目标确定卫星系统，而卫星系统需要运载火箭系统和发射场系统才能冲出地球引力圈的束缚，然后飞向遥远的月球，而飞往月球的途中以及绕月运行的过程中需要测控系统进行监测、导航，卫星绕月探测的数据又转给地面应用系统进行处理和研究，从而完成对月球的探测任务。

　　资料：嫦娥工程规划为三期，简称为“绕、落、回”

　　第一期为“绕”，即发射我国第一颗月球探测卫星——“嫦娥一号”，突破至地外天体的飞行技术，实现月球探测卫星绕月飞行，通过遥感探测，获取月球表面三维影像，探测月球表面有用元素含量和物质类型，探测月壤特性，并在月球探测卫星奔月飞行过程中探测地月空间环境。

　　第二期为“落”，即发射月球软着陆器，突破地外天体的着陆技术，并携带月球巡视勘察器，进行月球软着陆和自动巡视勘测，探测着陆区的地形地貌、地质构造、岩石的化学与矿物成分和月表的环境，进行月岩的现场探测和采样分析，进行日-地-月空间环境监测与月基天文观测。

　　第三期为“回”，即发射月球软着陆器，突破自地外天体返回地球的技术，进行月球样品自动取样并返回地球，在地球上对取样进行分析研究，深化对地月系统的起源和演化的认识。

　　当“绕、落、回”三步走完后，中国的无人探月技术将趋于成熟，中国人登月的日子也将不再遥远。