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叶培建院士:中国深空探测领域发展及展望

2018-12-08  小男孩叫闫旗   |  转藏
   

中国的深空探测起步于月球探测,按照探月工程“绕、落、回”三步走的任务规划,自2003 年启动探月工程一期研制以来,已成功实施了4次探测任务;并正在按计划进行月球和火星探测任务的研制工作,即将在今后3年内发射实施。与此同时,正在论证后续月球、小天体、火星、木星甚至更远的深空探测任务。

按照探月工程“绕、落、回”三步走任务规划,我国已实施4 次月球探测任务,其中:嫦娥一号实现了月球环绕探测;嫦娥二号是二期工程的先导星,为二期工程奠定了基础;嫦娥三号实现了月球软着陆和巡视探测;月地高速再入返回工程实现了第二宇宙速度半弹道跳跃式再入返回,为三期工程奠定了基础。

嫦娥一号任务

嫦娥一号任务是我国首次深空探测任务,其任务目标是通过研制和发射我国第一颗月球探测卫星,掌握绕月探测的基本技术。嫦娥一号探测器发射质量2350kg,携带了7 种科学载荷,于2007 年10 月24日发射,完成了在轨1 年设计寿命期内的既定任务,其后又开展了多项拓展任务,2009 年3 月1 日受控撞月。

嫦娥一号任务飞行过程示意图

嫦娥一号是我国第一颗对地外天体进行环绕探测的探测器。嫦娥一号任务的实施,使我国掌握了绕月探测技术,初步构建了月球探测的航天工程系统,获取了全月球表面的遥感图像,探测了地月空间环境,获取了大量的科学探测数据,并取得了多项技术突破,主要有:基于调相轨道的地月转移和多次近月制动的轨道设计与控制技术;多敏感器信息组合定姿和三体指向自主控制技术;绕月飞行全过程热控技术;基于S 频段的400000km 的远距离测控技术等;建立了USB-VLBI 综合远距离测定轨系统;研制了国内口径最大的50m 和40m 地面数传接收天线。获取了多项科学探测成果:实现了月球表面影像的100% 覆盖;利用激光高度计的测高数据制作了分辨率为3km 左右的全月球数字高程模型;利用伽马射线谱仪的数据编制了月表U、K、Th 等元素含量分布图;利用微波探测仪的数据得到了全月球不同光照条件的四频段微波亮度温度数据。嫦娥一号任务的成功标志着我国在月球探测领域取得了历史性突破,成功迈出了深空探测的第一步,被看作是继人造卫星、载人航天之后中国航天的第三个重要里程碑,也是我国航天器研制中自主创新的一个典范。

嫦娥二号任务

嫦娥二号任务是探月二期工程的先导星,主要目标是获取高精度月球表面三维影像。嫦娥二号探测器发射质量2480kg,携带了8 种科学载荷。嫦娥二号探测器于2010 年10 月1 日发射,至2011 年5 月底,获取了包括嫦娥三号预选着陆区高清晰图像在内的月球表面三维影像;2011 年8 月25 日到达了日地拉格朗日L2 点(简称日地L2 点),进行了为期10 个月的科学探测;2012 年12 月13 日国际上首次近距离飞越探测4179 图塔蒂斯(Toutatis)小行星;此后嫦娥二号一直朝向更远的深空飞行。

嫦娥二号飞越图塔蒂斯小行星时拍摄的图像

嫦娥二号是我国首颗飞入行星际并环绕太阳飞行的探测器。嫦娥二号任务的实施,获得了7m 分辨率全月图和备选着陆区分辨率优于1.5m 的局部影像图;实现了日地L2 点环绕探测和图塔蒂斯小行星飞越探测,获取了大量的科学探测数据;并取得了多项技术突破,主要有:直接地月转移轨道设计与控制技术;X 频段高精度测控通信技术;低密度奇偶校验码(LDPC)遥测信道编译码技术等。

嫦娥三号任务

嫦娥三号任务主要目标是通过研制和发射月球着陆器和巡视器,掌握月球软着陆和巡视探测技术。嫦娥三号探测器发射质量3780kg,其中巡视器140kg。着陆器与巡视器分别携带了4 种科学载荷。嫦娥三号探测器于2013 年12 月2 日发射,于12 月14 日安全着陆在月球北纬44.12°、西经19.51°的预选着陆区。着陆器随即开展就位探测,直至目前仍在工作;巡视器于12 月15 日与着陆器分离,驶抵月面,开展巡视探测,并实现了两器互拍。

嫦娥三号探测器软着陆过程

嫦娥三号任务实现了我国首次地外天体软着陆和巡视勘察,使我国掌握了月球着陆和巡视探测技术,进一步完善了我国月球探测工程体系,实现了月球就位和巡视探测,获取了大量的科学数据,并取得了多项技术突破,主要有:全自主避障的月球软着陆技术,月面巡视导航、月面移动、遥操作技术、同位素热源结合低重力驱动两相流体回路技术的月夜生存和光照自主唤醒技术、三向测量、差分单向测距、同波束干涉测量关键技术;研制了月面着陆悬停避障/ 冲击/导航控制试验场、巡视器内场和外场、20000N 发动机高模试车台等试验设施;建造了35m、66m 口径深空测控站和65m 口径射电望远镜,为后续深空探测任务的研制和实施奠定了良好的基础。

嫦娥三号任务中研制了我国第一台航天用高比冲高控制精度的变推力发动机, 实现了1500 ~ 7500N 范围内推力连续可变、可控,推力控制精度达到7.5N,对我国液体火箭发动机及相关技术的发展起到了很大的带动作用。在软着陆制导、导航与控制方面,自主开发了基于光学图像和三维高程数据的障碍识别算法,采用了光学成像粗避障与激光三维成像精避障的接力避障策略,在制导、导航、避障和姿态控制等方面大量控制方法和策略均为国内首次应用。首次突破高精度大动态激光测距技术和微波测距测速技术,同时,使激光、微波体制导航敏感器非合作目标测量技术在航天领域实现工程应用,带动了激光和微波测量技术的发展。

月地高速再入返回任务

月地高速再入返回任务的主要目标是通过研制和发射由服务舱和返回器组成的月地高速再入返回飞行器,实现第二宇宙速度再入返回。月地高速再入返回飞行器发射质量2450kg,其中服务舱2117kg,返回器333kg。月地高速再入返回飞行器于2014 年10月24 日发射;11 月1 日,服务舱与返回器分离,返回器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆;服务舱经过规避机动后,执行了地月L2 点探测、环月轨道交会对接远程导引飞行试验、嫦娥五号着陆区高分辨率成像等试验。

月地高速再入返回任务的实施,使我国掌握了第二宇宙速度半弹道跳跃式再入返回技术,构建了月地高速再入返回工程体系,实现了第二宇宙速度安全返回,并开展了月地往返多目标探测,获取了大量的科学数据;并取得了多项技术突破,主要有:双平台协同运行的总体技术,大倾角变轨道空间借力飞行技术,高速再入返回气动、热防护和GNC 技术,高速再入返回跟踪测量和搜索回收技术,地月系统往返飞行和地月拉格朗日L2 点(简称地月L2 点)探测技术;新建了高能脉冲风洞、高焓膨胀管风洞、超声速电弧风洞和跨超/ 高超声速气动力试验系统,建立了深空跳跃式高速再入返回跟踪测量和搜索回收系统。

目前,有三次深空探测任务正在研制过程中,即:实现月球背面软着陆和巡视探测的嫦娥四号,实现月球自动采样返回的嫦娥五号和实现火星环绕、着陆和巡视探测的火星探测器。下面分别对以上任务的进展进行介绍。

嫦娥四号任务

嫦娥四号任务的主要目标是实现国际上首次月球背面软着陆和巡视探测。嫦娥四号任务主要包括中继星、着陆器和巡视器。中继星已于2018 年5 月21日发射,6 月14 日成功实施轨道捕获控制,进入环绕地月L2 点的Halo 使命轨道,成为世界首颗运行在地月L2 点Halo 轨道的卫星。着陆器和巡视器发射并开展月球背面软着陆和巡视探测,中继星将建立着陆器和巡视器与地球之间的通信链路,实现国际首次地月L2 点中继通信。

嫦娥四号中继星“鹊桥”效果图

嫦娥四号任务搭载了3 台国际合作载荷,分别为中继星上搭载的荷兰内梅亨大学研制的低频射电谱仪、着陆器上搭载的德国基尔大学研制的月球中子及辐射剂量探测仪,以及巡视器上搭载的瑞典空间物理研究所研制的中性原子探测仪。其中,低频射电谱仪将被用于在月球背面独特的无线电环境中开展银河系的低频大尺度辐射特性研究。嫦娥四号任务在研制过程中将突破多项关键技术,主要包括:地月L2 平动点中继卫星轨道设计与通信技术、同位素温差电源技术和适应复杂地形条件下的安全着陆技术等。

嫦娥五号任务

嫦娥五号任务的主要目标是研制和发射采样返回探测器,实现我国首次地外天体无人自动采样返回。探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器组成,发射质量约8200kg。嫦娥五号探测器于2011年1 月1 日进入工程研制阶段,目前已完成正样研制工作,待命出厂。

嫦娥五号任务涉及多个飞行阶段、多个组合体构型。发射后,探测器以四器组合体形式运行,在地月转移与近月制动后,着陆上升组合体与轨道器-返回器组合体(简称轨返组合体)分离并实施动力下降。在月面软着陆后,着陆上升组合体开展钻取采样、表取采样和样品封装,并开展一系列科学探测。月面工作完成后,上升器与着陆器分离,以着陆器为平台起飞进入环月轨道,与轨返组合体完成交会对接和样品转移。之后,轨返组合体与上升器分离,通过轨道机动进入月地转移轨道,在距离地表5000km 高度处返回器与轨道器分离,半弹道跳跃式再入地球,着陆于预定着陆场。

在研制过程中,已突破多项关键技术,主要包括:多探测器系统设计技术、月球采样封装技术、月面起飞技术、月球轨道交会对接与样品转移等技术,并建立了一批地面试验验证设施,具体包括:着陆起飞综合试验系统、交会对接和样品转移全物理试验系统、羽流导流试验系统、采样封装试验系统。建立了月球样品存储与分析实验室、35m 南美深空测控站和密云35m 数据接收天线。

首次火星探测任务

2016 年1 月,我国首次火星探测任务正式批复立项,任务目标是研制火星环绕器和着陆巡视器,其中,环绕器主要开展火星环绕探测,并为着陆巡视器提供中继通信服务,着陆巡视器主要开展就位和巡视探测。首次火星探测任务发射质量4920kg,预计于2020 年择机发射,2021 年到达并在火星表面着陆。

首次火星探测任务飞行过程

在首次火星探测任务的研制过程中,将突破火星制动技术,环绕技术,进入、下降与着陆技术(EDL),以及火面巡视技术等关键技术。其中,EDL 是最为关键的环节。我国首次火星探测任务将采用“弹道-升力式”进入方式,利用新型的盘缝带伞进行减速,并采用着陆缓冲机构实现着陆缓冲,完成EDL 任务。目前,首次火星探测任务研制工作进展顺利。通过首次火星探测任务的研制与实施,有望使我国成为世界上第一个在首次任务中即实现火星“绕、落、巡”的国家。

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