圖為此前聳立在發(fā)射塔架上的火箭與嫦娥三號(hào)探測(cè)器組合體。
從12月2日開(kāi)始出發(fā)，到12月中旬落月，目前“嫦娥”一直在征程途中。從發(fā)射到奔月，再到環(huán)月飛行和最后落月，一雙雙“大手”為中國(guó)航天乃至人類(lèi)托舉起探月壯舉。
為嫦娥“校時(shí)”， 航天器的測(cè)控時(shí)間精度要精準(zhǔn)到微秒量級(jí)，也就是百萬(wàn)分之一秒
從12月2日凌晨1時(shí)30分發(fā)射后，嫦娥三號(hào)探測(cè)器首次軌道中途修正是在飛行14個(gè)小時(shí)之后，以更精確地到達(dá)目的地。在北京航天飛行控制中心時(shí)統(tǒng)機(jī)房，電腦屏幕上清晰顯示著北京時(shí)間、任務(wù)時(shí)間和北斗時(shí)間，這個(gè)不足20平方米的機(jī)房卻關(guān)聯(lián)著整個(gè)航天測(cè)控網(wǎng)的時(shí)間，與普通時(shí)鐘不同的是，這些時(shí)間已經(jīng)精確到納秒量級(jí)。
“日常生活中，時(shí)間只要精確到秒就足夠了，然而在航天任務(wù)中，航天器的測(cè)控對(duì)時(shí)間提出了更高的要求，時(shí)間精度要精準(zhǔn)到微秒量級(jí)，也就是百萬(wàn)分之一秒。”北京航天飛行控制中心專(zhuān)家介紹說(shuō)，就拿這次嫦娥三號(hào)任務(wù)來(lái)說(shuō)，整個(gè)測(cè)控網(wǎng)要涉及成千上萬(wàn)臺(tái)設(shè)備，遍布全球各地的測(cè)控站和測(cè)量船，需要把整個(gè)測(cè)控網(wǎng)時(shí)間同步到一個(gè)時(shí)鐘上，就像打仗的時(shí)候，指揮員總是要求大家“對(duì)表”，統(tǒng)一時(shí)間，只有這樣，才能做到作戰(zhàn)行動(dòng)協(xié)調(diào)一致。因此，高精度的時(shí)間統(tǒng)一是任務(wù)成敗的關(guān)鍵因素。“時(shí)統(tǒng)”因此扮演著整個(gè)任務(wù)的基礎(chǔ)和心臟這個(gè)十分重要的角色。
“時(shí)間的準(zhǔn)確，就決定著位置的準(zhǔn)確，決定著飛控任務(wù)的精準(zhǔn)”。專(zhuān)家介紹說(shuō)，同時(shí)，在對(duì)“嫦娥”控制的整個(gè)過(guò)程中每個(gè)發(fā)出的指令時(shí)間不能有絲毫差錯(cuò)，“嫦娥”向38萬(wàn)公里外的月球高速飛行，要準(zhǔn)確控制就需要高精度的時(shí)間信號(hào)。火箭發(fā)射、器箭分離、入軌控制、變軌控制等，都需要“時(shí)統(tǒng)”提供準(zhǔn)確的時(shí)刻標(biāo)志，如果時(shí)統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，提供了錯(cuò)誤的時(shí)間信息，不僅會(huì)影響測(cè)控的準(zhǔn)確性，甚至可能出現(xiàn)“差之毫厘，謬以千里”的情況，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)任務(wù)失敗。
正如人需要一顆健康的心臟，嫦娥三號(hào)探測(cè)器也是如此。由中國(guó)航天科工二院研制的高精度、高可靠性的晶體元器件，為嫦娥三號(hào)提供時(shí)頻核心，產(chǎn)生如同人體脈搏一樣的穩(wěn)定的頻率信號(hào)并輸送到電子系統(tǒng)各部分，指揮它們按照預(yù)先的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確運(yùn)行，相當(dāng)于打造出一顆穩(wěn)定跳動(dòng)的“心臟”。
精雕細(xì)琢一詞用在晶體元器件的加工過(guò)程中一點(diǎn)都不為過(guò)。每一個(gè)合格的晶體元器件，其原料石英振子需在20倍、50倍、200倍顯微鏡下“過(guò)關(guān)斬將”，其加工環(huán)境更是要求苛刻：高潔凈度的超凈廠房，至少經(jīng)歷3次的超聲波或等離子清洗，連封裝都需要高真空環(huán)境。
打造高可靠、高性能飛天動(dòng)力，要推得精、飛得穩(wěn)、變得妙、落得準(zhǔn)
承擔(dān)此次嫦娥三號(hào)發(fā)射和落月任務(wù)的長(zhǎng)三乙運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和嫦娥三號(hào)探測(cè)器推進(jìn)分系統(tǒng)，都由位于中國(guó)航天科技集團(tuán)公司六院研制。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)家、六院院長(zhǎng)譚永華說(shuō)，面對(duì)中國(guó)飛行器首次對(duì)地外天體進(jìn)行直接著陸探測(cè)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和全新使命，要打造高可靠、高性能嫦娥三號(hào)飛天動(dòng)力，動(dòng)力系統(tǒng)要既能做到“推得精，飛得穩(wěn)”，又能實(shí)現(xiàn)“變得妙，落得準(zhǔn)”。
嫦娥三號(hào)探測(cè)器使用我國(guó)當(dāng)前運(yùn)載能力最大的長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射，運(yùn)載火箭系統(tǒng)比發(fā)射神舟十號(hào)用的長(zhǎng)二F運(yùn)載火箭，增加了一個(gè)三子級(jí)，該級(jí)火箭由兩臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和若干臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)組成。不僅僅意味著托舉推力和運(yùn)載能力的增加，也是性能的進(jìn)一步優(yōu)越。
地月轉(zhuǎn)移軌道，也可稱(chēng)奔月軌道，能否精準(zhǔn)穩(wěn)地將嫦娥三號(hào)探測(cè)器推舉到奔月軌道，取決于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
嫦娥三號(hào)探測(cè)器在飛向月球過(guò)程中，火箭能否將其精準(zhǔn)輸送到地月轉(zhuǎn)移軌道，依靠的是氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠、高穩(wěn)定的工作。科研人員通過(guò)一系列可靠性增長(zhǎng)改進(jìn)工作，使第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)更加穩(wěn)定，性能更加優(yōu)越，使嫦娥三號(hào)的奔月旅途飛得更穩(wěn)。
其后，嫦娥三號(hào)探測(cè)器推進(jìn)分系統(tǒng)進(jìn)行接力工作，開(kāi)始漫漫探月和登月之旅。雖然嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)已經(jīng)完成離月球一二百公里的繞月飛行，但嫦娥三號(hào)探測(cè)器要把“繞月”變成“落月”，零距離與月球接觸，把中國(guó)人首次對(duì)地外天體的直接探測(cè)變成現(xiàn)實(shí)，無(wú)疑給動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)帶來(lái)了全新考驗(yàn)。
與嫦娥一號(hào)、二號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)相比，嫦娥三號(hào)推進(jìn)分系統(tǒng)是一個(gè)全新的動(dòng)力系統(tǒng)，研制難度、技術(shù)要求與控制精度都是前所未有的。其中，在月球表面能否實(shí)現(xiàn)軟著陸，是嫦娥三號(hào)任務(wù)的關(guān)鍵中的關(guān)鍵，也是最大的難點(diǎn)。在探測(cè)器落月過(guò)程中，與月球距離15公里后的落月過(guò)程充滿了風(fēng)險(xiǎn)與未知，必須對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)研制。
發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)家、六院十一所副所長(zhǎng)陳煒介紹說(shuō)，落月過(guò)程，也是發(fā)動(dòng)機(jī)推力不斷變化的過(guò)程。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)法達(dá)到所需的深度節(jié)流能力，7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)是專(zhuān)為落月而研制的我國(guó)首臺(tái)可大范圍變推力工作能力的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可滿足完成月球著陸探測(cè)器中途修正、近月制動(dòng)、動(dòng)力下降、懸停段等軟著陸一系列任務(wù)。
“深空巨眼”和“超級(jí)手機(jī)”， 成為深空探測(cè)和探月工程中強(qiáng)大的通訊利器
無(wú)論是飛離地球還是飛到更遠(yuǎn)的宇宙深空，測(cè)控通信系統(tǒng)是維系地球和飛行器之間互相傳遞訊息的天地“風(fēng)箏線”。
在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，首次啟用了三個(gè)深空探測(cè)大“天線”，包括65米的上海站、35米的喀什站、66米的佳木斯站。據(jù)搭建這些天地通道的中國(guó)電子科技集團(tuán)公司的專(zhuān)家介紹說(shuō)，佳木斯66米深空站，是亞洲口徑最大、接收靈敏度最高、連續(xù)波發(fā)射功率最強(qiáng)和作用距離最遠(yuǎn)的測(cè)控系統(tǒng)，這一具備國(guó)際先進(jìn)水平的測(cè)控站已成為我國(guó)深空及探月工程中最強(qiáng)大的利器，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)深空測(cè)控領(lǐng)域的空白，所有核心技術(shù)100%自主研發(fā)。
66米站最大的作用是極大地拓展了我國(guó)深空探測(cè)的作用距離，達(dá)4億公里，不僅讓地面站作用距離從地球范圍延伸到月球范圍，還可以支持火星最遠(yuǎn)軌道測(cè)控，是我國(guó)最長(zhǎng)的一根“風(fēng)箏線”。我國(guó)現(xiàn)在最遠(yuǎn)的飛行器是2010年10月發(fā)射的嫦娥二號(hào)衛(wèi)星，目前飛離地球6000多萬(wàn)公里，目前只有66米站與其保持著聯(lián)系。并且，66米站投入后，能在更短的時(shí)間就得到更高的精度，它能傳輸更大的數(shù)據(jù)量，即可比前兩次“嫦娥”任務(wù)得到更實(shí)時(shí)、更豐富的圖像等信息。
同時(shí)，66米站的接收靈敏度是手機(jī)的1000萬(wàn)倍，是傳統(tǒng)測(cè)控站的1萬(wàn)多倍。目前，這個(gè)66米站的接收靈敏度與世界先進(jìn)水平的深空站接收相當(dāng)。今年5月份66米站還受邀與美國(guó)、歐空局深空站一起組網(wǎng)完成“金星快車(chē)”干涉測(cè)量，是我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域國(guó)際合作的成功范例。
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