嫦娥二号
150万公里外的华彩“谢幕”
“已经到达了我国人造航天器迄今为止最远的深空。”北京时间8月25日23时27分,经过77天太空飞行,卫星上4台10N推力器点火,经过约3分钟工作,嫦娥二号准确进入其拓展任务的目的地——距地球150万公里的日—地引力平衡点即“第二拉格朗日点”(L2点)环绕轨道,并计划在轨飞行至明年年底。“由于是环绕飞行,其轨道最远端距地球有172万公里。”北京航天飞行控制中心嫦娥二号任务测控系统副总设计师周建亮说。
“这是我国第一次进行一次发射、执行多个任务、多个目标深空探测的有益尝试。就嫦娥二号任务本身来讲,她不仅是圆满完成任务,而且是超额完成任务。”中国探月与航天工程中心主任、探月工程副总指挥吴志坚这样评价嫦娥二号。
“嫦娥二号拓展试验成功,证明了中国航天不仅有能力将航天器送入月球轨道,而且还能使其飞离月球,并在世界上第一次成功实现了从月球出发探测日—地引力平衡点的航天活动。”中国探月与航天工程中心探月二期工程总体部副部长刘彤杰说。
自去年10月1日国庆之夜发射以来,嫦娥二号的表现可谓惊艳,她用完美的表现不断刷新着中国航天的一个又一个纪录。
嫦娥二号还有多少“余力”?
在今年5月底完成全部月球探索任务后,嫦娥二号选择了飞向深空这个风险最大,也最具挑战性的“谢幕”方式。
嫦娥二号还有没有“余力”完成新任务?又经过了近三个月飞行,她的近况如何?
在飞离月球之前,经专家测算,嫦娥二号要飞往L2点并环绕飞行至明年年底,其所携燃料几乎已经没有余量。因此,科学家们为嫦娥二号设计了一条用最慢速度飞往L2点的低能量转移轨道,以避免“猛踩油门”离开月球和到达L2点绕飞轨道时“猛然刹车”所造成的双倍燃料消耗。“嫦娥二号此行最低速度只有每秒31.7米,也就是每小时114公里。对于航天器而言,速度已经非常低了——火箭将嫦娥二号送入地月轨道的速度大约是每秒11公里,是现在的300多倍。”周建亮说。
周建亮解释说,在执行正式任务时,卫星携带的燃料需要有比较大的余量以应付各种意外状况,但嫦娥二号目前执行的已是额外拓展任务,燃料也会使用到极限。“由于测定轨道准确、飞行控制精确,原计划飞往L2点途中要进行的4次修正实际只在6月20日进行了一次,因此她目前的燃料状况比刚飞离月球时预想的要好——卫星剩余的有效燃料,还能提供130米/秒的速度增量,而从现在持续到明年年底的绕飞,需要96米/秒的速度增量,这样,嫦娥二号尚有大约30米/秒的速度增量余量。这是卫星完成任务的基本保障。”
我们能否始终“牵手”嫦娥二号?
即便燃料够用,在深入中国人此前从未“涉足”的遥远太空之后,我们在地面上还能否始终与其“牵手”?对于卫星而言,地面测控至关重要。
“目前卫星基本已经到达此行的最远距离,嫦娥二号的信号已经非常微弱了。”周建亮说,我国两大测控网之一的天文观测网在嫦娥二号探月期间是利用S频段和X频段进行双频段观测,但在深空,目前只能使用单X频段观测。而另一大测控系统航天测控网也已经将信号上行加到了最大发射功率。“通常设备、天线对卫星采用的是自动跟踪方式,但现在完全要靠地面预报卫星的位置,强行调整天线的指向完成跟踪。当然,我们还可以采用一些手段进一步提高测控能力。应该说,在如此远的距离,地面测控已经经受住了考验。”
事实上,之所以选择让嫦娥二号飞往L2点,其最核心的价值,正是“深空测控”四个字。
为什么要去“第二拉格朗日点”?
嫦娥二号的新任务是在日—地“第二拉格朗日点”环绕飞行至明年年底。
为什么是“第二拉格朗日点”?
为让嫦娥二号有一个华彩“谢幕”,专家曾提出多种方案。吴志坚副总指挥说:“其一,按国际上通行的做法——像嫦娥一号一样受控撞月——没有新意;其二,继续环月飞行,这没有多少新任务;其三,飞回地球,为探月三期后续卫星返回地球积累经验,但通过对嫦娥二号燃料进行计算,卫星只能飞回近地,不能够模拟卫星再入大气层,因此无法获取气动热数据,科学价值和技术价值也不可能实现;其四,让它离开月球探测小行星,但由于目标比较单一,也放弃了;最后,专家选择了飞向‘第二拉格朗日点’。”
“拉格朗日点”是指在两大天体引力作用下,能使小物体在空间保持稳定的点。由法国数学家拉格朗日于1772年推导证明并在其后得到证实。按照推论,在每个由两大天体构成的系统中,都有5个拉格朗日点。
“嫦娥二号此行的L2点在日—地连线地球外侧的延长线上,距离地球有150万公里。在这一点上,航天器的轨道周期与地球轨道周期相同。”中国空间技术研究院嫦娥二号卫星主任设计师黄昊介绍说,由于环绕L2点飞行的航天器可以始终保持背向太阳和地球的方位,易于保护和校准。同时,在这一点上,航天器既不会像在近地轨道上那样频繁出入地球阴影导致温度忽冷忽热,也远离了地球红外辐射,这就使L2点成为一个稳定的、观测整个宇宙的理想位置,通常被用于放置空间天文台。“在L2点,受太阳和地球两大天体的引力作用,卫星将与日、地保持相对静止状态,航天器可以用最少的燃料,做最大限度的长时间飞行。这样,在轨飞行到明年底的嫦娥二号,将能够为明年10月建成的我国地面深空测控网提供最佳的空间测试验证。”
专家表示,我国目前使用的航天测控网,原本是用来对航天飞船等近地目标进行测控的系统,其后经过几次改造、挖潜、升级,支持40万公里探月需要,深空测控能力有限。而我国正在建设中的35米和64米深空探测站在明年10月投入使用后,不仅能满足嫦娥三号任务的需要,对于嫦娥二号这样的卫星,我国的测控能力也将从现在的170万公里拓展至数千万公里,为未来的火星、木星、太阳两极等行星际探索提供支撑。
“收获”有多少?
“嫦娥二号在国际上第一次获取了分辨率优于7米的全月球影像图和优于30米的全月球数字高程模型数据。”刘彤杰说。在今年四五月间,嫦娥二号实施的拓展实验中,在已经获得99.9%的全月图数据基础上又补拍了两极的漏拍点,使我国有了全世界最全的高分辨率的全月图;此外,在月球“背面”,不可视的情况下,嫦娥二号用主发动机降轨,验证了自动控制系统、导航控制系统和主发机的系统能力,并对嫦娥三号预选着陆区虹湾再次进行了16圈次的成像试验,获得分辨率优于1.5米的图像数据和优于4米的数字高程模型数据。据悉,嫦娥二号获得的分辨率优于50米的全月图已经进入图像检查阶段,即将公布;而优于20米和7米的全月图有望在明年春节前完成。
“在绕L2点飞行过程中,嫦娥二号携带的4台科学仪器还将进行科学探测。”中国科学院嫦娥二号任务地面应用系统副总设计师张洪波说,由于L2点位于地球远磁尾处,嫦娥二号携带的太阳风离子探测器和太阳高能粒子探测器将对地球远磁尾处的高能粒子和太阳风进行动态监测,提高人类对空间天气的认识;星上携带的X射线谱仪将对目前正在处于上升阶段的太阳活动、频繁爆发的太阳耀斑进行监测,一方面可以对如大耀斑伴随的太阳质子事件等空间环境进行预警,一方面也可以开展太阳耀斑演化特征和规律的科学研究;此外,如果条件具备,星上的γ射线谱仪还有可能观测到宇宙γ爆……
“如果到明年年底,嫦娥二号完成使命,她的归宿又将在哪里?”或许,在目前,这还是一个过于“奢侈”、不免“贪心”的问题。但是,人们仍然有所期待。(记者 邢宇皓)
