嫦娥二号曾是嫦娥一号的备份星,为了节省国家投资,中国航天人将其充分利用起来,作为探月二期的“开路先锋”。尽管嫦娥二号继承了不少嫦娥一号卫星原有集成的产品和技术,但由于两者工程目标和科学目标有所不同,嫦娥二号在搭载设备和技术性能上有了不小的变化和增强。让我们听听航天专家如何详解嫦娥二号的关键技术突破。

——既不能“撞”,也不能“跑”

与嫦娥一号相比,嫦娥二号的奔月轨道和环月轨道都做了很大的改变——卫星奔月轨道由原来绕地球几圈再奔月,改为直接用火箭把卫星送入地月轨道,既缩短了卫星到达月球的时间,也节约了卫星的燃料;环月轨道也从嫦娥一号的200公里改为在距月球100公里的近月点实施三次近月制动,进入高度100km、倾角90°的环月轨道。

“轨道高度从200公里降为100公里,使嫦娥二号实施近月捕获时的飞行速度更快、轨道更低、制动量更大。同时,月球不均匀的重力场对卫星轨道的摄动影响也会相应增大。”中国探月工程总设计师吴伟仁解释说,“在100公里的时候如果控制不好,一种可能是卫星撞向月球,另一种可能是卫星‘跑了’,没被月球‘抓住’。在近月制动这个环节上,测控精度十分重要。”

——月球“背面”自主降轨最低至15公里 

此次嫦娥二号在绕月飞行过程中,还增添了一个“特技动作”——将在月球“背面”自主实施降轨,以使卫星的飞行高度最低降至距月面只有15公里。在近月点15公里、远月点100公里的椭圆轨道运行一两天后,再度返回100公里环月轨道。

“探月工程二期最难的一点,就是卫星从月球轨道往下降落的过程。卫星要实现软着陆,但降落点的月坑、月岩、石头到底是如何分布的?目前我们对月面环境的认识还比较少。作为先导星,嫦娥二号要对月表进行科学探测,对嫦娥三号预选的着陆区进行勘察,尽可能多地为嫦娥三号实现软着陆验证一些关键技术。为此,它将降轨至15公里,这是一个挑战。”中国探月工程副总设计师于登云解释说,“月球有很高的山峰,根据现有数据,有的高几公里,有的高十几公里。如果轨道测算不准,卫星实际距月面太近,不仅影响卫星携带相机的成像质量,还可能有撞山的危险;而轨道高了,将会影响所拍摄照片的分辨率。”

为什么要选择在月球“背面”降轨?嫦娥二号卫星总设计师黄江川作出了解释:“嫦娥二号之所以要降轨,是因为我们要对感兴趣的区域进行高分辨率的成像,这个区域往往是我们地球能见的区域。我们知道,月球自转周期与它绕地球公转的周期是一样的,所以在地球上我们看到的总是月球的一面。因此,如果我们要把近月点放到月球‘正面’我们感兴趣的区域,就必须在它的反方向,也就是月球的‘背面’变轨。但是,这样的降轨我们看不见,也不可控,只能靠它自主完成,这无疑增大了技术难度。”

——1.5米分辨率看清月面上大一点的石头

由于绕月轨道从嫦娥一号的200公里降到了100公里,同时搭载了新研制的TDI-CCD相机,嫦娥二号能够将月面图像分辨率从嫦娥一号的120米提高到10米之内;当卫星降轨至近月点15公里轨道处,分辨率将优于1.5米。

“120米的分辨率,也就是说小于120米的物体,我们看上去都是一样的;而1米的分辨率,意味着你能看到月面上大一点的石头了。”于登云说,“嫦娥二号在15公里的近月点对嫦娥三号预选着陆区‘虹湾’进行高分辨率成像,将对嫦娥三号着陆区的确定增添更多依据。”

——打开通往深空探测之门的钥匙

在嫦娥二号任务中,“首次试验X频段测控体制”是经常被提及的话题。这个专业的术语到底意味着什么呢?

吴伟仁解释说,“我们现在的卫星,大多数在地球周围转,其中最高的地球同步轨道为3.6万公里。在这种轨道高度,我们用S频段就可以进行测控了。X频段的频率要比S频段高,而频率越高越适合深空探测。使用X频段可以减小卫星天线的口径,而其抗衰减性能也会更好。”

黄江川说,“此外,我们也可以通过加大X频段天线的口径,让我们的飞行器走得更远。月球是深空探测的入门星,未来我们要进行火星、金星等行星系探测,都需要掌握X频段的测控技术。”