新中国70年的航天发展 | 节节突破的中国深空探测

时间:2019-10-08 10:44

深空探测


新中国70年的航天发展


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,已成功实施了5次探测任务,顺利完成了三步走的前两步,并正在按计划进行火星探测任务的研制工作。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。月球探测和火星探测是中国由航天大国向航天强国迈进的标志性和带动性工程。


探月工程


按照探月工程“绕、落、回”三步走任务规划:一期工程为“绕”,包括了嫦娥一号和嫦娥二号;二期工程为“落”,目标是以软着陆的方式降落在月球上进行探测,包括了嫦娥三号和嫦娥四号,实现了月面和月球背面软着陆;三期工程为“回”,目标是月面巡视勘察与采样返回,已经完成再入返回飞行试验。


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,并于同年11月7日进入环月轨道并传回月球图像,标志着我国月球探测卫星研制技术实现了历史性跨越,树立了中国航天的第三个里程碑。嫦娥一号完成了在轨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,于2009年3月1日受控撞月。


嫦娥一号卫星传回的第一幅月面图像


嫦娥一号首次利用CCD立体相机获得了120m分辨率全月球影像图、三维月球地形图等成果,而且包含了月球的南北极。在此之前,全世界没有一个国家获得过月球的三维立体全月图。虽然月球的地图国外已绘制很多,但多为平面图,三维立体图很少,而且还有很多空白,因为月球上高纬度的地方太阳是斜照的,光线不足,拍照效果就差一些。一般来说,在70°(S)~70°(N)就很难拍摄了,南北极地区有些深坑,太阳永远照射不到,也没有绘制成地图。嫦娥一号采取与其他国家不同的思路,搭载1台CCD立体相机和1台激光高度计,两者结合起来就能绘制成一张比较精细、全面的月球立体地图。


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。2010年10月1日,嫦娥二号发射成功。嫦娥二号探测器发射质量2480kg,携带了8种科学载荷。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国际编号4179的“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。


嫦娥二号在任务执行期间,成功拍摄着陆区虹湾的高清地形地貌图像,完成了全月球7m分辨率影像图的绘制,获得了备选着陆区分辨率优于1.5m的局部影像图,并在拓展任务中实现了日地拉格朗日L2点飞行和图塔蒂斯小行星飞越探测,获取了大量的科学探测数据。


嫦娥二号拍摄的月面虹湾影像图


嫦娥三号任务


2008年,探月二期工程通过国家立项批复,工程目标是实现月球表面软着陆和月球巡视探测。探月二期工程包括探测器、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大系统。嫦娥三号是工程任务的核心和关键,包括月球软着陆探测器(简称“着陆器”)和月球巡视探测器(简称“巡视器”,又被称为“玉兔号月球车”)两个部分。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。


嫦娥三号着陆器(左)和巡视器(右)


嫦娥三号探测器于2013年12月2日发射,于当月14日安全着陆在月球虹湾着陆区。着陆器随即开展就位探测,直至目前仍在工作;巡视器于当月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。


嫦娥三号突破了月球软着陆和月面巡视核心关键技术,在航天器总体设计、制导导航和控制系统设计、推进系统设计和热控系统设计等方面取得了一系列的科研成果,实现了中国首次在地外天体上进行原位和巡视探测。


再入返回飞行试验任务


2011年,探月三期工程正式立项,目标是实现月面无人采样返回。再入返回飞行试验是我国探月工程三期一次重要的验证飞行试验,主要目的是突破和掌握探月航天器再入返回的关键技术,为嫦娥五号任务提供技术支持。试验任务由飞行试验器、运载火箭、发射场、测控与回收四大系统组成。飞行试验器由中国航天科技集团有限公司中国空间技术研究院研制,由服务舱和返回器两部分组成。服务舱以嫦娥二号卫星平台为基础研制,具备留轨开展科研试验功能;返回器为新研产品,具备返回着陆功能。


再入返回飞行试验路线图


再入返回飞行试验器于2014年10月24日发射,于11月1日成功返回地球,实现了第二宇宙速度高速跳跃式再入返回。再入返回飞行试验任务的圆满成功,突破了一系列关键技术,为实现探月三期工程最终目标奠定了坚实基础。


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。


嫦娥四号任务主要由中继星、着陆器和巡视器组成。“鹊桥”中继星于2018年5月21日发射,于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。2018年12月8日,嫦娥四号落月探测器成功发射,在飞行了26天后,于2019年1月3日成功着陆于月球背面的预选着陆区——冯·卡门撞击坑(Von Karman Crater),并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,成为世界第一个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器,并实现世界首次月背与地球的中继通信。


2019年1月11日,嫦娥四号着陆器上的地形地貌相机完成了环拍。嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器工作正常,在“鹊桥”中继星支持下顺利完成互拍,嫦娥四号任务圆满成功,进入科学探测阶段。至此,我国探月工程取得“五战五捷,连战连捷”。


嫦娥四号着陆器拍摄的月球背面图像


火星探测


火星是太阳系八大行星之一,也是除了金星以外距离地球最近的行星。火星是除了地球以外人类了解最多的行星,也是太阳系中最近似地球的天体之一,已经有超过30枚探测器到达过火星。同时火星探测也充满了坎坷,大约三分之二的探测器,特别是早期发射的探测器,都没有能够成功完成它们的使命。火星将成为中国深空探测的第二颗星球。


中国首颗火星探测器萤火一号搭载在俄罗斯“福布斯-土壤”探测器内部,于2011年11月9日发射升空。萤火一号探测器由上海航天技术研究院抓总研制,长、宽各约75cm,高60cm。两侧太阳帆板展开近8m,质量约115kg,设计寿命2年。探测器上携带等离子体探测包、光学成像仪、磁通门磁强仪、掩星探测接收机等4类有效载荷。发射升空后不久,俄方宣布“福布斯-土壤”火星探测器变轨失败,这使萤火一号永远地留在浩瀚的太空。


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年左右发射,2021年到达并在火星表面着陆。


目前,首次火星探测任务研制工作进展顺利。在2019年7月的软件定义卫星高峰论坛上,中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远在报告中透露,中国将通过火星卫星、火星着陆器和火星车联合探测火星,目前火星车已经准备好。他同时透露,目前我国已完成火星探测轨道设计、测控通信、自主导航、表面软着陆等关键技术的科研攻关,为自主火星探测奠定了技术基础。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),以及火星表面巡视技术等关键技术。


未来展望


目前,我国探月工程正处于探月三期工程的初期,将突破与掌握月面表取采样、钻取采样、月球样品封装、月面起飞、月球轨道交会对接、样品转移等多项关键技术,实现“绕、落、回”三步走的最后一步。


预计2020年左右发射的火星探测器,将实现环绕、着陆和巡视探测任务。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。


除月球探测和火星探测之外,我国小行星探测任务正在进行论证工作,拟采用一次发射实现一颗近地小行星取样返回和一颗主带彗星绕飞探测。对近地小行星开展绕飞探测,择机附着小行星表面、采集小行星样品,返回地球附近释放返回舱,将样品送回地球;探测器再经地球、火星借力飞行到达小行星带,对彗星开展绕飞探测。


来源:《国际太空》2019年第9期


作者:张曼倩


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