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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

欧阳自远解读嫦娥二号和嫦娥三号  

2010-12-03 18:56:14|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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探月工程首席科学家称嫦娥二号原为一号备份星 

 作者:南方周末记者 黄永明
  嫦娥二号原本是一号的备份星,假如嫦娥一号发射失败了,它就会被用来再做一次尝试。自从嫦娥一号成功上天后,探月工程的科学家便开始讨论改变嫦娥二号的使命,使之成为嫦娥三号的先导星。
  在外人看来,嫦娥二号月球探测卫星一帆风顺。
  今年10月1日,它由长征-3C运载火箭直接送入地月转移轨道。112个小时后,它就飞到了月球附近的特定位置,进行近月制动,随即进入近月点100千米、远月点8000千米的绕月轨道。相比之下,嫦娥一号花了13天才飞到月球。
  后面的几天里,嫦娥二号又进行了两次近月制动,进入高度100千米的极月圆轨道。时机成熟时,嫦娥二号变轨进入了近月点15千米、远月点100千米的椭圆绕月轨道。这就是说,它距离月球表面最近时只有15千米。此前中国从未在这么近的距离上观测过月球。
  10月底,嫦娥二号对月球的虹湾地区进行了拍摄。虹湾局部影像图在11月8日公布,它宣告了嫦娥二号的工程任务取得圆满成功。随后,嫦娥二号继续进入高度100千米的极月圆轨道绕月进行科学探测。
  嫦娥工程地面应用系统总设计师李春来在11月28日表示,嫦娥二号未来有望取得全世界分辨率最高的一幅全月图。
  在此之前,自2003年起担任了7年探月工程首席科学家的欧阳自远院士在国家天文台的办公室里接受了南方周末记者专访,坦陈嫦娥“一帆风顺”的背后故事,回首首席七年的心路历程。
  改变嫦娥二号的使命
  嫦娥二号原本是一号的备份星,结构和装配与一号基本相同。假如嫦娥一号发射失败了,它就会被用来再做一次尝试。
  而自从嫦娥一号成功上天后,预计将圆满完成科学目标和工程目标,探月工程的科学家便开始讨论改变嫦娥二号的使命,使之成为嫦娥三号的先导星。这场讨论持续了一两年,包括科学目标和工程目标的新设计、要完成哪几项关键技术试验,以及提高和改进探测仪器的技术指标和性能等等。“软件、硬件、设施,都得要配套。不是说我一说要这么干就能干的,而是要长时间的很复杂的准备,各个系统忙得要命。”欧阳说。
  最终,嫦娥二号在一号的基础上做出了诸多改进。比如照相机,完全改成另一种新类型的立体照相机,它与嫦娥一号每次从三个角度拍摄不同,每次分为前视和后视两个角度。在飞行高度为100千米条件下,照相机的空间分辨率小于10米,在飞行高度为15千米时,空间分辨率为1米左右。
  嫦娥二号的任务可以归纳为两项,第一项就是演练嫦娥三号所需的关键技术。这些技术中包括了不经过调向轨道而直接发射进入奔月轨道,这是嫦娥一号所没有做过的。此外,嫦娥三号将会停留在100千米高的轨道上运行,所以嫦娥二号也要在100千米高的位置运行。“别看好像与一号相比没近多少,但月面的各种热辐射对卫星影响很大,所以200千米和100千米差别太大了。这需要对卫星本身做很多改进。”欧阳说。
  根据嫦娥工程的设计,嫦娥三号将会在月球表面软着陆。它首先会飞到15千米的高度,然后再降落。“发射嫦娥二号之前,15千米能不能控制好,心里也没数。因此嫦娥二号要进行15×100千米的椭圆轨道飞行。这就要求轨道的测控精度和速度大大提高,因而原有S频段测控体制增加了X频段测控体制。”欧阳继续说。
  嫦娥二号的另一项任务是为嫦娥三号着陆的地区拍摄出精细的照片,分辨率在1米左右,提供出精确的落点的地形地貌。这些照片也是卫星飞至15千米高度时拍摄的,每次掠过虹湾时的拍照时间只有61秒钟。由于下传数据量的增加,地面系统接收数据的能力从每秒3兆提高到12兆。
  “什么都一帆风顺,显然不可能”
  嫦娥二号发布虹湾局部影像图,标志着它工程任务的圆满完成。嫦娥三号除了从15千米高度开始下降的软着陆技术之外的所有关键技术均得以成功预演。但这并不意味着嫦娥二号全部任务的完成。
  除了工程任务,它还有科学任务。“科学上的事情要有个积累,不是说你飞一下就都做出来的。”欧阳说,嫦娥二号的科学家希望它能够在半年之后拍摄出分辨率小于10米的月面全图,“也许最后能够把全图做出来,但我现在不敢讲。每次照相才那么窄一条,我哪个地方漏一点怎么办?这是常有的事情。卫星姿态有时要调整,仪器出毛病了要修仪器,这也是经常的事情,那样的话有些地方就拍不到了。”
  2007年,嫦娥一号公布第一张月面图的时候,由于同一个很小的撞击坑出现了两次,而欧阳自远引用加拿大一位华侨的看法,误将图片拼接的瑕疵解释为月面可能出现了新的很小的撞击坑,网友便生造了一个新成语“欧阳挖坑”。
  实际上,月球上的撞击坑仅仅直径大于1000米的就有33000多个,大于100米的数以亿计,小于100米的撞击坑无法计数,拼图难以做到不出任何瑕疵。
  “照片中有新的坑也很难免,但是我确实不敢确定到底是不是,或者我们工作人员拼接有错误也有可能。”欧阳说他并不在意那个成语,“现在拿出美国的图来,我可以挑出几百个错误来。我们肯定也有错误,或者也有不完整的地方,我们以后再改进就是了。”
  真正令欧阳自远感到压力的是,中国人无法容忍科学探索上的失败。人们只能看到嫦娥系列卫星一个接一个的成功,无法想象一旦出现失败会是怎样。 “可以想象,开汽车有时候都会遇到一下发动不起来的状况,对于如此复杂的探月工程,问题怎么可能没有嘛!”欧阳说。
  “所以我们的压力大在哪儿?要出去就必须成功,不成功便成仁,你知道吗?”他对南方周末记者说,“一期工程时多大的压力啊,当然不是我一个人承担,但我始终感到发射的时候手心都出汗,简直是血压、血糖、血脂都高得很,几个月睡不着觉。为什么?因为我理解我们这个民族的心理状态。这个民族是要经受这种风险的锻炼的,不能够这样,什么都一帆风顺,显然不可能。”
  在月球探测史上,20世纪共进行了108次发射,其中成功52次,成功率为48%。火星探测的成功率更低,只有百分之三四十。美国的四架航天飞机先后有两架发生了爆炸,共有14名宇航员遇难。“人家都经受了,而且继续前进。中国怎么可能不经历任何失败呢?当然我们一定会全力以赴、严慎细实、尽心尽力、确保成功,但也难免会出事的。”欧阳说,“不少人不是以科学的态度来对待这样的一件事情。所以我也很担心,我内心感觉到我们的民族需要很好地经过这种风险的煎熬,一定要能够经受得住的。”
  “你得把所有的人说服”
  探月的准备工作做了35年,其中仅仅论证就花了十年时间。欧阳自远体会最深的,是开始人们都不理解,凭什么中国要去搞探月,它对中国的经济、科技有什么作用?“你得把所有的人说服。”欧阳说,“关于中国开展月球探测的必要性与可行性,经过一番论证以后,领导和专家都说,非常有必要,中国也非常有可能。那么你能不能设计出来整体的规划,一直到载人以前,你全部把这个路子都给我说清楚。这就是发展的战略,又得折腾两三年。”最后,国家要求具体设计月球探测一期工程的科学目标与有效载荷,研制总要求,之后便是报告、评审、回答问题,欧阳等人一步一步通过各层次的评审。
  “当时很多科学家在讨论的时候会说,你干嘛不给我搞这个,你干嘛不给我搞那个?”欧阳回忆,“很自然地,大家都想插进来,因为中国月球探测已经有点苗头了。原来不少人不了解,现在一看是该搞了,就都希望把自己的项目插进去。我又得回答。”
  在科技部组织国家中长期科技发展规划时,探月二、三期工程要立项进去,一百多个全国各地的各个领域的科学家,向欧阳自远提了一百多个问题。这是他必须回答的,而且要一个一个地说服人家。他需要诚恳地告诉对方,“这个做不出来,而且没有意义”,或者“这个该做,但是现在中国哪个条件不够,所以现在还不能做”。
  每一位科学家都想自己做一些事情,搞生命科学研究的就会说,你们为何不去研究一下月球的生命物质?欧阳自远只能回答说,现在的探测结果证明,月球没有任何生命活动的迹象,甚至连组成生命的有机化合物也没有,因此中国去探测也必然是这个结果,所以这个不做。他需要这么一条一条地来回答。
  有人问欧阳自远,你为什么不做月球磁场的研究?欧阳回答说,月球没有像地球一样的磁场,岩石只有很微弱的剩余的磁性,而且我们国家的探测器也没有那么高的灵敏度能探测出来。所以不可能去做这个探测。
  “十年论证,那是很难熬的,你不坚持下来,半途而废是很容易的事情。”欧阳说。
  欧阳自远受到的指责甚至包括,我们国家太空探索的蛋糕就这么大,你欧阳切了一大块,别人还吃不吃饭?“这是可以理解的,因为大家都是科学家,谁都想把自己的事情做出来。要很理智地去分析这些问题。”欧阳说。
  “现在中国最常见的第一个问题就是'你有什么创新?”欧阳说,“我一次都没有干过,第一次去探测月球,人家搞了一百多次了,我要在这一百多次里面挑出他们没有做到的东西,或者是我们有特殊的想法去做,确实有不少创新点,这煞费心思啊。”
  多年之后,随着嫦娥一号和二号先后成功,人们对欧阳自远提出的最常见问题又从“我们去做这个干什么”和“你有什么创新”,转变为“你在世界上排第几位”。
  嫦娥三号落在哪儿

欧阳自远解读嫦娥二号和嫦娥三号 - squirrel - 松鼠的空天随笔

嫦娥三号的着陆器和月球车 

  嫦娥一号和二号拍摄的月面照片为科学家选择三号登月着陆点提供了重要参考。在最初的选项里,并不只是虹湾,科学家实际上在月球的正面选出了七八个候选地点。
  他们需要考虑的是,从总体的地形地貌来看,降落地点比较安全;那个位置能源要充足,也就是说太阳光照要比较合适;那个位置测控通畅,通讯通畅,科学问题比较集中,一定是别人没有去过的地方。他们将这些条件分别进行打分,再汇合起来考虑,最终认为虹湾是其中较好的选择。
  “即便是虹湾,也太大了,比北京市还大,降落只能降到比如说中关村那么一小点地方去。”欧阳自远说。
  现在科学家正在根据嫦娥二号的数据对降落点进行不断的修正。到了2013年,还要在虹湾里头再找个最好的地方降下去。
  “所以那个时候在虹湾里面还要设计十几、二十个地方,是降落比较合适的。”欧阳说,“所以就需要一张很精细的图,你就要精细地去做了。这些工作都需要做大量的准备,不是那么简单的。”
  嫦娥三号软着陆的难点更多,之前的所有工作都是准备,而成败就系于这一项。月球表面是真空的,降落时不能使用各种降落伞、气垫,这是一个问题。此外,由于是软着陆,它便不能从很高的位置掉下去,需要控制它,让它的速度慢慢降低,到100米高度的时候,它有智能去选择一块最平的地方,飞到它的上空再降下去。即便在100米的高度,直接下落也会摔坏,所以100米以后也得用发动机向上反推,让它慢慢下降到离月球表面大约4米。这时离月面就很近了,此时关掉发动机,探测器从4米高落下来,软着陆在月面上。
  这是计划中的软着陆,以前从来没有干过的步骤。

 

欧阳自远解读“嫦娥三号”月球探测器如何软着陆
2010年12月03日 07:42 中国新闻网

中新社北京12月2日电 (记者 孙自法)作为中国探月工程二期技术先导星,“嫦娥二号”已圆满完成“落月”技术先导任务,未来“嫦娥三号”月球探测器将怎样实现月面软着陆、成功“落月”进行着陆探测和巡视勘察?

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嫦娥三号降落过程(下为欧阳自远院士的说明)

中国科学院院士、中国探月工程重大专项领导小组高级顾问欧阳自远2日解读说,“嫦娥三号”由内置巡视探测器和着陆探测器两部分构成,距月面15公里时进入主减速段,把相对月面的速度从约1.6公里每秒降为0;15公里至2公里进入调姿段,将探测器调整为纵轴指向月面;2公里到100米为悬停段,悬停100秒,用于着陆点的地形识别与横移避障;100米到4米间为缓速下降段,利用反推发动机缓速下降;到距月面4米高度时,探测器发动机关机,进入自由下降段直至接触月面。

“嫦娥三号”月球探测器成功软着陆月面后,着陆探测器将打开专门的释放机构,将内置的巡视探测器释放到月面开展巡视探测和月面勘察任务。据介绍,被称为“中华”牌月球车的巡视探测器智能化程度非常高,“它全部是自动导航、自动选择路线、自动拐弯和爬坡、自动避开障碍,然后自己把(探测到的)数据传输给地球”。

欧阳自远当天下午作客中科院研究生院“中国科学与人文”论坛,以“中国‘嫦娥’月球探测计划”为题发表演讲。他说,成功“落”月之后,中国将发射月球探测器到月球采样并返回地球。在2017年后,中国在基本完成“绕”、“落”、“回”这三步不载人月球探测任务后,“还将择机实施载人登月探测甚至进一步建设月球基地(计划)”。

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 未来的火星和金星探测器,基于嫦娥系列所用的DFH3平台。

火星探测器先发,成功后备份星转为金星探测器(类似于ESA的火星快车和金星快车)

“月球难以改造,不适宜大量移民,但火星完全可以改造形成 人类第二个栖息地,这是很多科学家在做的(研究)”。这位知名科学家表示,中国很快也要去探测火星、金星和其他的小行星。预计2013年开展首次自主火星探测,2013-2015年进行首次自主金星探测,2015年开展行星与小行星多目标探测。“我相信我们一定会加快自己的步伐,在太阳系里走得更远,我们一定能逐步实现整个目标”。

个人点评:

关于欧阳坑,终于可以尘埃落定了。其实这种任务出错很正常,承认了改过来也就风平浪静了。正如欧阳自远自己说的,美国的图(Clementine)也有很多错误,可惜当初欧阳自远轻率的说有一个撞击坑,实在不应该,后来一直不认错急剧恶化了自己的形象。多年以后心态平和了,终于承认出错,为这一事件画上了句号。

对于“中国人无法容忍科学探索上的失败”这个看法,倒是深以为然。当初匆忙公布第一幅照片,就有外界流言胡乱怀疑嫦娥一号失败压力的因素。太多的人只喜欢看到成功,如果任务失败,他们立刻转而同样甚至更大的力度去贬损。2011年就要有萤火一号任务了,苏联-俄罗斯的火星探测一向不太顺利,很可能不幸连带萤火一号失败;即使phobos-grunt顺利,但萤火一号经历11个月的寒冷深空飞行后没能启动工作,也是非常可能发生的。萤火一号本身没有任何保护,在极为寒冷和高能粒子肆虐的外太空要休眠很长时间,11个月的飞行期间只有短暂的几次启动自检,太阳能电池板更是要11个月后再展开,这是人类深空探测历史上前所未有的苛刻(指外太空无防护状态下11个月后展开太阳能电池板)环境,也是对我国航天器水平的严峻考验。成功自然皆大欢喜,万一没能成功,希望大家能有健康的心态。

欧阳自远解读嫦娥二号和嫦娥三号 - squirrel - 松鼠的空天随笔

 YH-1实体图(:我好不容易找到的:)

期待2012年的成功!

第二篇欧阳自远详细的讲述了嫦娥三号的降落过程,这个过程笔者在去年IAC会议的论文里就看到了,火星和进行探测也有了解。不过嫦娥三号的降落,欧阳算是目前说的最详细的,感谢他的精彩解读!

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