中国航天的2016征程

中国宇航正以让外界侧目的“火箭速度”跻身“航天第一世界”,其不仅可以集中力量完成某一项重大航天任务,更已初步形成同时进行多个重大项目的多任务管理与实施能力.

在2013年3月举行的“”上,航天代表和委员意外的受到热捧,多家媒体竞相采访.他们对中国航天发展的与展望,犹如一场盛大的航天新闻发布会,借“”之势在国内外引起高度关注.

据悉,中国航天将在2013年迎来真正的井喷,全年将实施16次航天发射,把大约20个航天器送入太空.而其中最具有战略意义的,当属“神舟”10号载人飞船与“天宫”1号目标飞行器交会对接,以及“嫦娥”3号月球探测器首次月球软着陆并释放月球车.

这一切表明,我们离自己的第一个轨道空间站和第一次载人登月已经越来越近了.

中国首架太空航班

“神舟”10号是一艘与之前的9艘“神舟”一脉相承,但又完全特殊的飞船.它的出现不再是“试镜”,而将扮演真正的主角.

按照规划,在2013年6至8月间,中国将择机发射载有3名航天员的“神舟”10号飞船,该飞船将与在轨运行的“天宫”1号目标飞行器进行载人交会对接.与之前“神舟”系列飞船的飞天之旅相比,“神舟”10号具有重大的里程碑意义.其将在这次任务中进行首次应用性飞行,也就是说,飞船的主要任务不再是设备或性能测试,而将完成正常的天地往返运输任务.

从“神舟”5到“神舟”9,它们的首要飞行目的都是为了验证飞船自身的技术性能,属于试验性应用范畴,然后根据试飞的情况不断改进.其中中国利用“神舟”9号突破和掌握了载人交会对接技术,使“神舟”飞船具备了为“天宫”1号和未来的“天宫”2号,甚至是最终的轨道空间站提供载人天地往返的能力.“神舟”9号的成功证明中国的载人飞船技术已经基本完善并定型,所以与“神舟”9号相比,“神舟”10号没有大的技术变化,只做了一些微调.“神舟”10号的任务已不再是试验飞船本身,而是扮演“太空航班”的角色,为“天宫”1号提供人员和物资运输保障.

“神舟”飞船的成功证明了中国在载人航天领域已经稳居世界第一集团.载人飞船总师张柏楠就指出,现在在天上运行的轨道飞行器只有两个,一个是国际空间站,一个是中国的“天宫”1号；而能使用的载人天地往返运输系统也只有两个,一个是俄罗斯的“联盟”飞船,一个是中国的“神舟”飞船.所以,中国载人航天事业排名全球前三是没有疑问的.

根据已公开的计划,“神舟”10号将在轨运行15天,比“神舟”9号多2天.其中“神舟”10号与“天宫”1号组合体运行更是长达12天,航天员在充裕的时间内可以在太空完成更多的任务.特别值得关注的是,该计划同时也表明,“天宫”1号的实际载人能力比设计的要高.“天宫”1号最初设计的载人能力为60人天,也就是单人在轨飞行60天,如果是3个人则可以呆20天.“神舟”9号的3名航天员已在“天宫”1号里生活和工作了10天,按理说“神舟”10号的3名航天员最多也只能在“天宫”1号里呆10天,而现在可以多呆两天.别小看这两天,航天活动的时间单位动辄以秒计算,毫厘之差都有可能带来极为严重的后果.“天宫”1号的“超规格接待能力”至少证明其密封性很好,里面的环境与生命保障系统工作正常,能够提供足够的压力、氧气、温度、湿度等.

“天宫”1号在即将到来的这次任务中还将首次成为“太空讲堂”.3名宇航员除进行航天器在轨维修试验和空间站关键技术验证试验等工作外,据中国载人航天工程总师周建平透露,航天员将在“天宫”1号内通过电视直播的形式,向地球上的公众介绍太空特殊的微重力环境,并通过实验操作讲解微重力状态下的物理现象等,使公众对太空有更深刻的认识,尤其是激发青少年的太空热情.此前,也只有美国进行过一次太空授课.

来自权威渠道的消息透漏,“天宫”1号的状态目前非常好,所有设备正常,尚未使用当初设计的冗余备份,相关资源也比较充足,推进剂余量还很多.在2013年与“神舟”10号的交会对接,将标志着“天宫”1号完成自己最重要的历史使命,未来其不会再与其他载人飞船对接,而会继续用于进一步考核航天器的其他相关技术,包括产品的可靠性和寿命等.中国航天部门此后会对“天宫”1号的后续任务做评估研究,尽可能让其在轨生涯发挥出最大的能量.“天宫”1号的设计寿命是两年,如果做轨道调整等消耗推进剂较多的试验,接下来的飞行时间会短一些；如果这种试验较少,则“天宫”1号的寿命很可能会超过预期.同时,“天宫”1号的所有任务一旦结束,将会按国际惯例主动离轨,返回到大气层烧掉.

五星红旗软着陆月球

2013年的中国航天不会缺乏精彩,“神舟”10号只是主角之一,“嫦娥”3号的探月之旅同样寄托了国人的重大期待与梦想!

2013年下半年,中国将完成探月工程二期――“落”月探测的最关键一步,用“长征”3B增强型火箭发射“嫦娥”3号月球探测器.据“嫦娥”3号两总（总指挥、总设计师简称）顾问叶培建院士介绍,“嫦娥”3号是中国发射的第一个地外软着陆探测器和巡视器（月球车）,也是美国“阿波罗”计划结束后世界上重返月球的第一个软着陆探测器,其主要任务是对月球土壤和月球环境的勘查,精细探测月球局部的化学成分、矿物组成、地质结构、月表环境等.值得一提的是,中国还将通过“嫦娥”3号,首次建立起覆盖火星探测范围的测控通信网.

未来在“嫦娥”3号升空后,其将与“嫦娥”2号一样直接进入地月转移轨道,预计100多个小时后抵达月球轨道.它先绕月球转几圈“热热身”,做好各项准备,在来自地球的“落月”指令下达后,由15千米的近月点开始降落,只用很短的时间就能着陆月球表面.

因为月球是真空环境,软着陆时不能使用降落伞,所以只能一边降落,一边用反推发动机把速度降下来.又由于月球表面凹凸不平,为避开大石头和坑洼地貌,需要在着月过程中寻找具体着陆点,因此当降落距月面约100米时,“嫦娥”3号会像直升机一样悬停一会儿,通过传感器与计算机系统智能选择一块比较平的地方,飞到着陆点上空后实施垂直降落,在这100米的降落过程中一直靠反推发动机控制降速,直到距离月表4米高度时,再关闭发动机,以免扬起月尘,污染相机镜头或影响其他设备工作. “嫦娥”3号将通过无动力的自由下降模式完成最后4米的着月高度,最后靠着陆器的4个支架缓冲落在月面上.为缓减冲击力,每条支架都能吸收冲击力,或者说每只脚都被套上了一个大“鞋垫”,支架腿接触月面的瞬间,缓冲作用将让着陆器在月面上稍做滑行,最后稳定驻泊于月表.如此复杂精密的程序,难怪有专家认为,“嫦娥”3号面临的最大难题就是如何在月面上软着陆.

“嫦娥”3号的着陆地点已基本确定在月球虹湾地区,那里地形平坦、能源充足、通信畅通、轨控有效,目前看来是最佳着陆选择.其着陆器带有敏感探测功能,可以自动避开月面障碍,落到哪里就对哪里进行科学探测.月球车位于着陆器顶端,当着陆器在月面实现软着陆后,月球车通过自带滑梯释放并自行在月面机动,走到哪里就探测哪里.在月球车的桅杆上有两对相机和一根定向天线,下面的白色机械臂则用于对月表成分进行抓取和探测.它还会在月球表面采一些成份样品,就位分析,然后将分析的结果、月面图像及地质地貌情况传回地球.

在月亮上开车

虽然“嫦娥”3号的发射距离苏联“月球”9号实现人类首次月球软着陆已近半个世纪.但其部分探测内容仍是世界月球探测史上的创举.另外,“嫦娥”3号月球车所应用的多维精细超光谱遥感成像探测技术,亦足可表明中国遥感成像探测已达到世界顶尖水平.

从系统结构来看,“嫦娥”3号由着陆器和月球车组成,载有测距测速雷达和激光测距仪等多种高技术探测设备.其中着陆器携带近紫外月基天文望远镜、极紫外相机等.前者将首次实现中国的月基天文观测,因为月球没有大气层屏障,所以很小的望远镜就能看得很远；后者既可拍摄月球的地形地貌,也能在飞行过程中拍摄地球,探测地球等离子体层的变化特点等,中国的空间环境监测和预报能力将因此得到显著提高；着陆器上的雷达主要用来探测月球的地质信息；其设计寿命为一年.

“嫦娥”3号月球车为6轮底盘结构,类似于一台智能机器人.其将携带360度全景相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪,精细探测月球表面的化学元素；月球车底部装载的雷达则可探测巡视路线上100米深度的月壤层结构；在脱离着陆器之后,月球车将开展为期3个月的巡视勘察.着陆器和月球车分开工作后可以互相监视,用各自携带的相机“互拍”,到时候着陆器肯定会拍下月球车上的中国国旗,再传回地球,这不仅将是“嫦娥”3号在月球着陆的证据,届时也一定会成为激动国人的重要一幕出现在各大媒体头版.

对于“嫦娥”3号来说,如何在月球上安全过夜是所面临的最大技术挑战之一.月球的一天约相当于地球27天,而且13天半是阳光普照的白天,13天半是寒冷的黑夜.白天太阳直射下,月表最高温度可达150摄氏度；月夜没有太阳光照,月表温度又可下降至零下180摄氏度的极低温.低温环境将会对“嫦娥”3号构成严峻考验,因为很多设备的工作温度都有严格限制,且大多需要太阳能电池供电,冷的时候没有太阳,就意味着没有电.此外,月球表面尘埃带电,吸附效应会给太阳能电池、光学器件等带来不利影响.这些问题都是过去中国所熟悉的人造地球卫星所不曾遇到过的.

因此,叶培建院士表示,“嫦娥”3号最需要突破的难点就是解决月夜生存问题,这是一个系统工程,牵涉到多项高新技术,尤其是月面生存必用的热控制技术,为确保探测器系统顺利度过寒冷的月夜,中国科学家还精心设计了月球车的太阳翼（即太阳能帆板）,到了晚上,原本展开的太阳翼就会折叠起来,像被子一样盖在月球车上.同时为了解决太阳能供电不稳定的问题,“嫦娥”3号还将首次采用核电源――同位素温差电源与热利用技术.此外,低重力环境下机构的重复展开与收拢,月尘环境下机构的润滑与密封等技术都将为“嫦娥”3号的顺利探测保驾护航.

通天塔再升级

毫无疑问,中国航天极具雄心的2013年离不开高性能火箭的助力.为确保本年度“神舟”10号与“嫦娥”3号两大重点战略项目的顺利实施,中国的“长征”火箭家族已经做好了准备.

据中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹介绍,他们已经对发射“神舟”10号飞船的“长征”2F遥十火箭进行了18项技术状态和2项工艺状态适应性改进,其中17项主要为提高可靠性.遥十火箭飞行可靠性达98.67%,比发射“神舟”9号飞船的“长征”2F遥九火箭提高了0.2%.为确保船箭分离后飞船可以执行大气层外逃逸救生模式,遥十火箭对故障判据做了进一步完善,增加了如有故障发生,可向飞船发送运载逃逸信号的相关指令,“航天员安全性达到99.97%,比遥九火箭提高0.01%.这两组数据表明：火箭发射100次,成功为98.67次,确保宇航员生命安全为99.97次.”梁小虹说.

与“神舟”10号不同,由于地月飞行需要更强大的近地轨道动力保障,因此“嫦娥”3号月球着陆器将采用“长征”3B增强型火箭发射.该火箭是在“长征”3B火箭基础上开展六大专项技术攻关而研制的,完全能够确保“嫦娥”3号落月成功.据梁小虹介绍,中国运载火箭技术研究院已经具备让“嫦娥”3号多窗口发射的能力,解决了由于客观原因造成火箭不能准时点火,从而错过最佳发射时机的困扰.为此“长征”3B增强型火箭进一步优化了窗口设计,开发出新的软件在线切换技术,并对增压输送系统的适应性做了改进.“嫦娥”3号已由“嫦娥”2号的零窗口发射（火箭发射时间和预定点火时间偏差不超过1秒）,增加至每个发射月有连续3到4天具备发射条件,每天有2个发射窗口,完美实现了多窗口发射.

“长征”3B增强型火箭还将用“两只眼睛”提高入轨精度,将“嫦娥”3号精确送入近地点高度200千米、远地点高度38 000千米的月地转移轨道.它采用了双激光惯组加卫星导航修正的复合制导技术,这种复合制导技术相当于给火箭安装了“两只眼睛”,一只眼睛可以使火箭按照设计好的轨道飞行,另一只眼睛精确计算最佳途径,并随时修正.该火箭还首次运用遥测图像实时传输技术,将“现场直播”火箭在发射和飞行过程中的助推器分离、一二级分离、整流罩分离等关键动作,更为准确清晰的监视发射流程.