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嫦娥工程

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嫦娥工程
嫦娥工程
“嫦娥奔月”是中国家喻户晓的神话故事,相传嫦娥吞下灵药后飞上月亮。2004年,中国正式开展月球探测工程,並命名为“嫦娥工程”。嫦娥工程的第一階段计划,是预定于2007年年底前,发射中国第一顆月球探测卫星“嫦娥一号”环绕月球运行,及进行为期一年的月球探测任务。

目录

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工程概述编辑本段回目录

嫦娥工程发射现场
发射现场

发射人造地球卫星、载人航天和深空探测是人类航天活动的三大领域。重返月球,开发月球资源,建立月球基地已成为世界航天活动的必然趋势和竞争热点。开展月球探测工作是中国迈出航天深空探测第一步的重大举措。实现月球探测将是中国航天深空探测零的突破。

月球已成为未来航天大国争夺战略资源的焦点。月球具有可供人类开发和利用的各种独特资源,月球上特有的矿产和能源,是对地球资源的重要补充和储备,将对人类社会的可持续发展产生深远影响。中国探月是中国自主对月球的探索和观察,又叫做嫦娥工程。国务院正式批准绕月探测工程立项后,绕月探测工程领导小组将工程命名为“嫦娥工程”、将第一颗绕月卫星命名为“嫦娥一号”。“嫦娥一号”卫星由中国空间技术研究院承担研制,主要用于获取月球表面三维影像、分析月球表面有关物质元素的分布特点、探测月壤厚度、探测地月空间环境等。

工程目标编辑本段回目录

嫦娥工程
嫦娥工程

中国绕月探测工程将完成以下四大科学目标:

1、获取月球表面三维影像。划分月球表面的基本地貌构造单元,初步编制月球地质与构造纲要图,为后续优选软着陆提供参考依据。

2、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点。对月球表面有用元素进行探测,初步编制各元素的月面分布图。

3、探测月壤特性。探测并评估月球表面月壤层的厚度、月壤中氦-3的资源量。

4、探测地月空间环境。记录原始太阳风数据,研究太阳活动对地月空间环境的影响。

国防科学技术工业委员会副主任、国家航天局局长、绕月探测工程总指挥栾恩杰介绍,由月球探测卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用等五大系统组成的绕月探测工程系统届时将实现以下五项工程目标:

⊙研制和发射中国第一个月球探测卫星

⊙初步掌握绕月探测基本技术;

⊙首次开展月球科学探测;

⊙初步构建月球探测航天工程系统

⊙为月球探测后续工程积累经验

国防科学技术工业委员会副主任、国家航天局局长、绕月探测工程总指挥栾恩杰透露,鲜红国绕月探测工程目前已确定了四大科学目标和五大工程目标。

工程方案编辑本段回目录

嫦娥工程测控通信系统
测控通信系统

中国航天科技工作者早在1994年就进行了探月活动必要性和可行性研究,1996年完成了探月卫星的技术方案研究,1998年完成了卫星关键技术研究,以后又开展了深化论证工作。经过10年的酝酿,最终确定中国整个探月工程分为“绕”、“落”、“回”3个阶段。

第一步为“绕”,即发射我国第一颗月球探测卫星,突破至地外天体的飞行技术,实现月球探测卫星绕月飞行,通过遥感探测,获取月球表面三维影像,探测月球表面有用元素含量和物质类型,探测月壤特性,并在月球探测卫星奔月飞行过程中探测地月空间环境。第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”已于2007年10月24日发射。
  
第二步为“落”,时间定为2007年至2010年。即发射月球软着陆器,突破地外天体的着陆技术,并携带月球巡视勘察器,进行月球软着陆和自动巡视勘测,探测着陆区的地形地貌、地质构造、岩石的化学与矿物成分和月表的环境,进行月岩的现场探测和采样分析,进行日-地-月空间环境监测与月基天文观测。具体方案是用安全降落在月面上的巡视车、自动机器人探测着陆区岩石与矿物成分,测定着陆点的热流和周围环境,进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析,为以后建立月球基地的选址提供月面的化学与物理参数。
  
第三步为“回”,时间定在2011至2020年。即发射月球软着陆器,突破自地外天体返回地球的技术,进行月球样品自动取样并返回地球,在地球上对取样进行分析研究,深化对地月系统的起源和演化的认识。目标是月面巡视勘察与采样返回。
  
月球探测三期工程主要包括以下5个科学目标:

1.探测区月貌与月质背景的调查与研究

利用着陆器机器人携带的原位探测分析仪器,获取探测区形貌信息,实测月表选定区域的矿物化学成分和物理特性,分析探测区月质构造背景,为样品研究提供系统的区域背景资料,并建立起实验室数据与月表就位探测数据之间的联系,深化和扩展月球探测数据的研究。探测区月貌与月质背景的调查与研究任务主要内容包括:

1)探测区的月表形貌探测与月质构造分析;

2)探测区的月壤特性、结构与厚度以及月球岩石层浅部(1~3km)的结构探测;

3)探测区矿物/化学组成的就位分析。

2.月壤和月岩样品的采集并返回地面

月球表面覆盖了一层月壤。月壤包含了各种月球岩石和矿物碎屑,并记录了月表遭受撞击和太阳活动历史;月球岩石和矿物是研究月球资源、物质组成与形成演化的主要信息来源。采集月壤剖面样品和月球岩石样品,对月表资源调查、月球物质组成、月球物理研究和月球表面过程及太阳活动历史等方面都具有重要意义。月壤岩芯明岩样品的采集并返回地面的任务主要内容包括:

1)在区域形貌和月质学调查的基础上,利用着陆器上的钻孔采样装置钻取月壤岩芯;

2)利用着陆器上的机械臂采集月岩/月壤样品;

3)在现场成分分析的基础上,采样装置选择采集月球样品;

4)  着陆器和月球车都进行选择性采样,月球车可在更多区域选择采集多类型样品,最后送回返回舱
  
3.月壤与月岩样品的实验室系统研究与某些重要资源利用前景的评估月壤与月岩样品的实验室系统研究与某些重要资源利用前景的评估任务主要内容包括:

1)对返回地球的月球样品,组织中国各相关领域的实验室进行系统研究,如物质成分(岩石、矿物、化学组成、微量元素、同位素与年龄测定)、物理性质(力学电学光学声学、磁学等)、材料科学、核科学等相关学科的实验室分析研究;

2)月球蕴含丰富的能源和矿产资源,进行重要资源利用前景的的评估,是人类利用月球资源的前导性工作,可以为月球资源的开发利用以及人类未来月球基地建设进行必要的准备;根据月球蕴含资源的特征,测定月球样品中He-3、H、钛铁矿等重要资源的含量,研究其赋存形式;

3)开展He-3等太阳风粒子的吸附机理和钛铁矿富集成矿的成因机理研究;

4)开展He-3、H等气体资源提取的实验室模拟研究。

嫦娥工程系统运行控制大厅
系统运行控制大厅

4.月壤和月壳的形成与演化研究

月壤的形成是月球表面最重要的过程之一,是研究大时间尺度太阳活动的窗口。月球演化在31亿年前基本停止,因此月表岩石和矿物的形成与演化可反映月壳早期发展历史;月球表面撞击坑的大小、分布、密度与年龄记录了小天体撞击月球的完整历史,是对比研究地球早期演化和灾变事件的最佳信息载体。
  
5.月基空间环境和空间天气探测

太阳活动是诱发空间环境与空间天气变化的主要因素,对人类的航天等活动有重大影响。在月球探测三期工程中空间环境与空间天气探测包括以下内容:

1)空间环境探测器

记录宇宙线、太阳高能粒子和低能粒子的通量和能谱,分析与研究太阳活动和地月空间环境的变化;探测太阳风的成分与通量,为月壤成熟度和氦-3资源量的估算提供依据。

2)甚低频射电观测

在月面安置由两个天线单元组成的甚低频干涉观测阵,长期进行太阳和行星际空间的成图和时变研究,建立世界上第一个能够观测甚低频电磁辐射的长久设施。当“绕、落、回”三步走完后,中国的无人探月技术将趋于成熟,中国人登月的日子也将不再遥远。

工程计划编辑本段回目录

绕月探测工程是中国月球探测的第一期工程,即研制和发射第一颗月球探测卫星。该星将环绕月球运行,并将获得的探测数据资料传回地面。该工程由探月卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大系统组成。现已确定探月卫星主要利用“东方红三号”卫星平台,运载火箭采用“长征三号甲”火箭,发射场选用西昌卫星发射中心,探测系统利用现有航天测控网,地面应用系统由中国科学院负责开发。
 
具体计划是,“长征三号甲”火箭从西昌发射中心起飞,将“嫦娥一号”卫星送入地球同步转移轨道后实现星箭分离,卫星最后进入环绕月球南、北极的圆形轨道运行,并对月球进行探测,轨道距离月面的高度为200公里。
  
设计寿命为1年的“嫦娥一号”卫星,携带立体相机成像光谱仪激光高度计微波辐射计太阳宇宙射线检测器低能离子探测器等多种科学仪器,对月球进行探测。它在环月飞行执行任务期间,主要获取月面的三维影像,分析月面有用元素含量和物质类型的分布特点,探测月球土壤厚度,检测地月空间环境。其中前3项是国外没有进行过的项目,第4项是我国首次获取8万公里以外的空间环境参数。此外,美国曾对月球上的5种资源进行探测,中国将探测14种,其中重要的目标是月球上的氦—3资源。氦—3是一种安全高效而又清洁无污染的重要燃料,据统计,月球上的氦—3可以满足人类1万年以上的供电需求。月球土壤中的氦—3含量可达500万吨。
  
嫦娥工程是一个完全自主创新的工程,也是中国实施的第一次探月活动。工程自2004年1月立项,目前已经完成了嫦娥一号卫星和长征三号甲运载火箭产品研制和发射场、测控、地面应用系统的建设。2007年10月24日在西昌卫星发射中心成功发射升空。月球探测是一项非常复杂并具高风险的工程,到目前为止,人类共发射月球探测器122次,成功59次,成功率为48%。中国长征三号甲运载火箭的成功率为100%。

发射场地编辑本段回目录

嫦娥工程西昌卫星发射中心
西昌卫星发射中心
2007年9月16日,探月卫星“嫦娥一号”进入了位于中国西南的“西昌卫星发射中心”。

西昌卫星发射中心(XSLC):又称“西昌卫星城”,始建于1970年,隶属于中国人民解放军总装备部,是以主要承担地球同步轨道卫星的发射任务的航天发射基地,担负通信广播气象卫星等试验发射和应用发射任务。该地区属亚热带气候,全年平均气温为摄氏16度,全年地面风力柔和适度。这里每年10月至次年5月是最佳发射季节。

西昌卫星发射中心从单一型号火箭发射到多种型号火箭发射,从发射国产卫星到承担国际商业发射,从发射地球同步卫星、极轨卫星到将要开展探月卫星发射。经过二十多年“长征”洗礼的西昌卫星发射中心,如今已成为世界一流航天发射场。如今,长征三号甲运载火箭将在这里把“嫦娥一号”卫星送入月球,再次成为举世瞩目的耀眼“明星”。

发射能力

它是以主要承担地球同步轨道卫星的发射任务的航天发射基地,担负通信、广播、气象卫星等试验发射和应用发射任务。西昌卫星发射中心是中国目前对外开放中规模最大、设备技术最先进、承揽外星发射任务最多、具备发射多型号卫星能力的新型航天器发射场。发射中心拥有测试发射、指挥控制、跟踪测量、通信、气象、技术勤务保障等系统。发射场区的两个发射工位及技术测试中心、指挥控制中心等配套设施,能担负和完成多种型号的国内外卫星发射服务。在中国目前的三大卫星发射中心中,功能比较齐全,设备比较完善,既能发射采用低温推进剂的“长征三号”系列运载火箭,又能发射运载能力较大的捆绑火箭。

西昌卫星发射中心由总部、发射场(技术区和两个发射工位)、通信总站、指挥控制中心和三个跟踪测量站,以及其它一些相关的生活保障(医院宾馆等)单位组成。发射场的地理坐标是28°14'42.11"N102°1'45.77"E。主要担负广播、通信和气象等地球同步轨道(GTO)卫星发射的组织指挥、测试发射、主动段测量、安全控制、数据处理、信息传递、气象保障、残骸回收、试验技术研究等任务。

地理位置

西昌卫星发射中心位于四川省凉山彝族自治州境内,中心总部设在四川省西昌市西北约60公里处的秀山丽水间,卫星发射场位于西昌市西北65公里处的大凉山峡谷腹地。卫星发射测试、指挥控制、跟踪测量、通信、气象、勤务保障六大系统的相应场区,都分散在峡谷之中的不同区域。该地区属亚热带气候,全年平均气温为摄氏16度,全年地面风力柔和适度。这里每年10月至次年5月是最佳发射季节。自古人们在西昌能经常观赏到分外明亮皎洁的地球卫星--月亮,历来传为佳话,故西昌以“月城”的美称闻名海内。而今,又以发射人造地球卫星,服务于人类而声震环宇。她除了拥有“月城”、“小春城”、“攀西聚宝盆”和“黄金地带”等富有大自然美好情调的名字外,又增添了充满现代科学技术魅力的名称:“中国航天城”、“东方休斯敦”等。

发射历史

西昌卫星发射中心始建于1970年,于1982年交付使用,自1984年1月发射我国第一颗通信卫星以来,已发射国内外卫星28次。1985年10月,XSLC正式对外开放,承揽外星发射业务,接待了来自50多个国家和地区的技术交流、考察团体。先进可靠的设施和条件,为外星的发射提供了安全优质的服务。1984年以来,西昌卫星发射中心先后发射了17个颗国内外通讯卫星,这表明我国已是世界上几个重要的掌握商业发射能力与技术的国家之一,在世界航天城领域占有一席之地。随着西昌航天城建设的加速和西昌内陆开放城市的崛起及西昌青山机场国家一类航空口岸的设立,西昌卫星发射中心给许多参观者留下了美好的印象与回忆。

自1984年成功发射第一颗试验通讯卫星以来,截至2003年底,已先后成功组织了34次国内外卫星发射。1986年,西昌卫星发射场正式对外开放。发射中心于1983年建成,1984年以来发射过中国第一颗试验通信卫星、实用通信广播卫星及实用通信卫星,1990年又将美国制造的“亚洲1号”通信卫星送入地球同步转移轨道。2004年4月,“试验卫星一号”和“纳星一号”在西昌卫星发射中心顺利升空,是这个中心首次发射太阳同步轨道卫星,标志着这个中心的航天发射能力有了进一步提高,可以进行多射向、多轨道卫星的发射。截至2004年4月,中心拥有两个自成系统的发射工位,可以发射不同类型的长征运载火箭,既能将大吨位的卫星送入同步转移轨道,也能将小卫星送入太阳同步轨道。

工程人员编辑本段回目录

中国探月工程首席工程师欧阳自远

嫦娥工程总指挥栾恩杰
总指挥栾恩杰(左)

月球探测工程中心副主任郝希凡

中国绕月探测工程测控通信指挥部部长朱民才

卫星系统总指挥、总设计师叶培建,副总设计师孙泽州孙辉先

长征三号甲运载火箭副总指挥金志强

长征三号甲运载火箭总体主任设计师陈闽慷

长征三号甲运载火箭总体副主任设计师刘建忠

地面应用系统总设计师李春

绕月探测工程地面应用系统总设计师副总指挥李春来

绕月探测工程地面应用系统副总设计师张洪波

“嫦娥一号”卫星副总设计师有效载荷总设计师孙辉先;

“嫦娥一号”卫星有效载荷总指挥吴季

巡视器总体主管设计师温博(女);

测控数传分系统主管设计师张婷(女);

天线分系统主管设计师战榆莉(女);

供陪电分系统主管设计师陈燕(女);

中国绕月探测工程测控系统副总设计师董光亮等。

嫦娥一号编辑本段回目录

嫦娥工程“嫦娥一号”发射瞬间
“嫦娥一号”发射瞬间
“嫦娥一号”是基于“东方红3号”通讯卫星的设计改造而成,卫星总重量为2300千克,大小為2米x1.72米x2.2米。它将环绕月球极地轨道运行,轨道高度约200公里。“嫦娥一号”设有6组探测仪器:

仪器作用

1体相机透过太空船飞越目标地点之前、之后及当时所拍摄的一系列三幅照片,重组该处月面的三维影像。

2.成像光谱仪由于不同的物质会有不同的光谱特徵,再加上探测地点的立体影像所提供的资料,因此科学家可从中研究月球的矿物资源。

3.激光高度计提供月面高度的数据,以绘制月球的立体地形图。

4.玛射线及X射线谱仪月球上不同的元素受太阳X射线宇宙射线照射后,或本身是放射性元素时,会发出不同能量的伽玛射线或X射线。只要探测这些辐射线,便能推算出月球上多种元素的含量。

5.微波探测仪透过测量以不同频率的微波穿透月壤的深度,便可获得月壤深度的数据。

6.太阳风粒子探测器测量太阳风的高能量及低能量粒子的能量及分布情况。

“嫦娥一号”跟以往的地球卫星有所不同,需要克服多项特有的技术困难。例如,月球没有大气,其向著太阳的一面与背面之间的温度相差超过摄氏300度。“嫦娥一号”约每两小时环绕月球一圈,故在这段期间需要抵受由摄氏130度至零下180度的极大温度变化。

“嫦娥一号”在飞行期间可能遇到月食,其中最多会有一个多小时得不到日照,没有能量补充,因此对“嫦娥一号”的电源系统是一大考验。

科学目标

中国计划在2007年发射第一颗月球探测卫星,这是中国深空探测的第一步.中国月球探测项目的科学目标为:获取月球表面三维立体影像;分析月球表面有用元素及物质类型的含量分布;测量月壤厚度和评估氦-3资源量;以及地-月空间环境探测.
  
有效载荷

为完成上述科学目标,探月一号卫星将安装五种科学探测有效载荷设备.包括CCD立体相机和干涉成像光谱仪;激光高度计;微波探测仪;γ/X射线谱仪和空间环境探测系统.为了采集、存储处理、和传输有效载荷的科学数据,还专门设计了一套有效载荷数据管理系统。
  
CCD立体相机和激光高度计共同完成第一个科学目标,即获取月球表面三维立体影像;干涉成像光谱仪和γ/X
射线谱仪完成第二个科学目标,即分析月球表面有用元素及物质类型的含量和分布;微波探测仪完成第三个科学目标,即测量月壤厚度和评估氦-3资源量;空间环境探测完成第四个科学目标,即地-月空间环境探测.

嫦娥工程嫦娥1号月球探测器
嫦娥1号月球探测器

立体相机和干涉成像光谱仪

立体相机由光学系统、支撑光学系统的结构件、CCD平面阵列以及相应的信号处理子系统组成。卫星飞行时,三个平行的CCD线阵可以获取月球表面同一目标星下点、前视、后视三幅二维原始数据图像,经三维重构后,再现月表三维立体影像。

干涉成像光谱仪用以获取月球表面多光谱图像。它包括三个主要的光学子系统:Sagnac干涉计傅立叶变换透镜和柱形透镜。
  
激光高度计系统

激光高度计系统用于测量卫星到月表星下点间的距离,激光高度计系统由激光发射器及接收器两大部份组成,其中的激光发射器用于发射激光脉冲到月球表面,接收器用于接收被后向散射的激光脉冲,激光脉冲的往返时间给出了卫星到月表的距离信息
  
γ/X射线谱仪

γ/X射线谱仪用以测量月球表面元素的种类和丰度。月球表面物质的原子或原子核受到宇宙线粒子的轰击而激发,会产生特征的X射线和γ射线;一些天然放射性元素可以自己发射核γ射线,不同的元素可释放不同能量的特征γ谱线。通过γ射线谱仪测量这些特征γ谱线的能量和通量,科学家可以推导出月表元素的种类和丰富程度。作为月面成份研究,γ射线谱仪和X射线谱仪的测量结果可以很好地互相补充。
  
微波探测仪

微波探测仪是嫦娥一号卫星有效载荷之一,设计成多频段微波辐射计。微波探测仪的科学目标是利用微波信号对月球表面物质的穿透传播特性,从表征月球物质微波辐射的亮温数据中,获取月球月壤的厚度信息;获得月球黑夜的微波遥感信息和获得月球两极的微波遥感信息。利用微波辐射计对月球探测在国际上尚属首次。月球微波遥感信息的获取和月壤信息的反演将大大丰富人类对月球的认识。
  
空间环境探测系统

空间环境探测系统包括太阳高能粒子探测器和两台太阳风离子探测器。太阳高能粒子探测器用以分析地月空间和绕月空间环境的质子电子重离子。高能离子探测器包括传感器和信号处理子系统。两台太阳风离子探测器用以分析地--月和月球空间环境的太阳风中的低能离子。太阳风离子探测器的传感器由准直器静电分析器和微通道板组成。
 
载荷数据管理系统(PDMS)

有效载荷数据管理系统(PDMS)是一个基于1553B总线的分布式系统,系统由总线控制器(BC)、大容量存储器(SSR)、高速复接器(HRM)、远置终端(RT)及载荷配电器(PPD)组成。大多数有效载荷通过1553B总线实现与PDMS间的通讯,激光高度计和空间环境监测系统则被连接到了RT上。载荷的科学数据和工程参数可由PDMS通过1553B总线获取并存储到SSR中。当卫星在地面站可接收范围内时,所存储的数据及实时数据将由HRM根据CCSDS标准组装为编码的虚拟信道数据单元(CVCDU)串行序列,然后下行到地面。PDMS是一个灵活、高效的系统,如果任务中某个载荷停止了探测,则其它载荷可分享其存储及传输资源。

“嫦娥一号”的任务编辑本段回目录

嫦娥工程月球观测图
月球观测图
自上世纪六十年代起,世界各国共进行了超过100次探月任务,当中约有一半是成功的,从而取得大量有关月球的科学数据。作为中国首次探月的太空船,工程人员期望“嫦娥一号”不但在中国的远程卫星技术、探测地月间的太空环境等方面有所突破,并且能填补以往探月任务之不足。“嫦娥一号”探月任务有四大科学目标:

1.绘製全月球的三维立体地图

以往由於技术所限,大部分的月球地图都是平面的。直至近年间才开始製作立体地图,但月球表面仍有不少地区尚未覆盖,尤其是月球两极地区,因为该处的日照角度非常低,难以拍摄成像。“嫦娥一号”将利用激光高度计配合立体相机,对月球作全面探测,从而获取覆盖全月面的地形图。了解月面的地形地貌,将有助研究月球地质构造的演化,为未来登月地点的选择提供有用的参考数据。

2.探测月球的物质成分

探测月球的化学元素和矿物含量与分布,对研究月球的形成和演化过程起著重要作用。以往由於只使用伽玛射线谱仪,故探测到的元素种类有限。透过配备了伽玛射线谱仪及X射线谱仪,“嫦娥一号”希望能够探测到鈦和铁等14种元素,并编製全月面的含量分布图。“嫦娥一号”还会利用成像光谱仪,测定造岩矿物如橄欖石辉石斜长石等在月球表面的含量与分布情况。 

3.探测月壤特性

由於月球几乎没有大气,太阳风粒子如3等可直接渗入月球土壤中。“嫦娥一号”将首次透过微波辐射,探测月壤的厚度,从而估算月壤中氦3的分布和含量。日后,氦3有可能成為一种既安全又清洁的新型核聚变燃料。

4.探测地球与月球间的太空环境

在太阳、地球与月球之间,由宇宙射线、太阳耀斑日冕物质抛射等剧烈活动所产生的巨大能量和突然释出的物质,经常会对地球的磁场电离层、卫星通讯、月面环境以至人类的健康构成影响。虽然美国等国家以往曾探测过地月间的太空环境,不过这方面的探测工作对中国而言尚属首次。“嫦娥一号”将利用高能粒子探测器和太阳风探测器,记录原始太阳风资料,及研究太阳活动对地月太空环境的影响。

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