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“嫦娥三号”今晚落月:激光测量保驾护航

2013-12-14 09:00
九一隐士
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  按照计划,今晚9时40分左右,嫦娥三号探测器将从距月面15千米的近月点以抛物线的路线开始动力下降,相对速度从每秒1.7公里逐渐降为零,且历经两次悬停。整个着陆过程约为720秒,即12分钟。这12分钟被称为整个嫦娥三号任务中最惊心动魄的环节。因为在12分钟内人工测控无法跟上,探测器只能按照预定程序,完全依靠自主导航控制,完成减速、降低高度、确定着陆点、软着陆等一系列关键动作。在落月的过程中通过激光测距敏感器和微波测距测速敏感器,嫦娥三号可对相对位置和速度进行高精度测量;通过激光三维成像敏感器,嫦娥三号可探测待着陆区较小的障碍。记者从探测器的诞生地——中国航天科技集团了解到,为了这惊心动魄的720秒,中国的科技工作者打造了四大利器。

  利器一:GNC系统 为落月找路

  720秒内无法人工干预,探测器落月靠的是基于对月测速、测距和地形识别的GNC系统。嫦娥三号GNC分系统主任设计师梁俊告诉记者,GNC是制导、导航、控制三个词的缩写。导航可以让探测器知道自己所在的位置,制导可以规划路径,控制就是根据探测器的位置,按照目标完成着陆任务。GNC具有感知功能,可以“看”到月面的情况,测量到落月过程中探测器的姿态、速度、与月面的距离等,同时把各种信息汇集到中心计算机进行处理,再根据事先设定好的落月要求,对探测器进行控制。通过“看见”、测量、计算处理、控制执行,来指挥探测器落月。

嫦娥三号落月

  解放军电子工程学院教授胡以华研制的激光高度计,为嫦娥装上了“千里眼”,将助力嫦娥三号实时精确测距,准确抵达月球。

  出生于怀宁的胡以华曾参与研制成功月球探测卫星激光高度计,实现了我国空间遥感激光探测技术与系统研制重大突破。从嫦娥一号开始,激光高度计就成为嫦娥的“千里眼”,还曾配合4D相机为月球绘制全世界第一张高分辨率主体成像图。胡以华介绍,软着陆必须实时精确测距,激光高度计能帮助嫦娥顺利登月。

  美国“阿波罗”载人登月计划中,“阿波罗”是依靠宇航员的眼睛识别月面障碍的。而嫦娥三号是无人软着陆,因此探测器需要具有自主障碍识别能力。为此,GNC团队研制了激光三维成像敏感器,用来代替人眼,在距离月面较近时获得待着陆区域精确的三维高程图信息,可精确分辨月面上比较小的障碍。同时,在距离月面较远时还增加了一个光学成像敏感器,用于在较大范围内识别较大尺寸的障碍。这样一套远近结合、粗精并用的接力避障策略,大大提高了着陆的安全性。

  GNC系统包括数十台单机、几十套软件,研制团队成员大都是博士。为了落月到12分钟,GNC系统进行了上万次数学仿真、成百上千次桌面联试,以及模拟月球重力环境和月表地形地貌,发动机点火,与真实的GNC系统相配合进行的多次大型地面试验,这样的试验力度“史上空前”。

  利器二:发动机 6万秒测试只为1200秒飞行

  嫦娥三号探测器上一共有29台发动机,其中,“7500牛变推力发动机”直接决定着嫦娥三号奔月与落月的成败,且没有备份。月球表面没有空气,无法使用降落伞等空气摩擦产生阻力的方式对探测器进行减速。因此减速的实现只能依靠变推力发动机。

  7500牛变推力发动机是为嫦娥三号任务专门研制的。它的难度有多大?据嫦娥三号推进系统主任设计师金广明介绍,一般卫星的发动机最大推力只有490牛(发动机推力单位),神舟系列载人飞船发动机的推力也只有2500牛,由此看出7500牛发动机绝对是个“大家伙”。它还能根据预定设计,进行变推力调节,这要求发动机必须灵活地调节动力,让探测器平稳地落到月面。在拥有巨大推力的同时,还要受重量、结构尺寸等条件限制,工作时产生的大量散热还不能影响探测器上仪器设备的正常工作,其设计难度可想而知。负责发动机研制的航天集团六院院长谭永华告诉记者,该发动机的相关试验进行了100多次,仅点火试验就累计达到6万多秒,就是为了确保它在轨工作的1200秒不出任何问题。

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