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“嫦娥”群英：女帥巧解難題 數學奇才設計軌道
2007-12-18
“嫦娥”奔月背后，是中國科學家群体的卓絕智慧12月12日，國家主席胡錦濤向世界宣布：中國已經進入世界具有深空探測能力的國家行列。 “深空探測能力”包括五個方面：進入空間能力、衛星研制能力与應用能力、航天基礎与保障能力、載人航天能力和空間探索能力。這些能力的形成，緣于我國在短短三年的時間里，實現了多項重大技術突破。 隨著我國首次月球探測工程圓滿成功，一個個技術突破背后的故事也浮出水面。 數學奇才擔綱軌道設計 地球距月球有38萬公里，“嫦娥一號”衛星并非人們所想象的──從地球徑直而去，也不像美國阿波羅載人登月飛行那樣，衹用了3天時間，而是14天。 在國防科工委月球探測工程中心有一張地圖：藍色的背景下，左邊是地球，右邊是月球，各自周圍都有三個橢圓形的大環線。連接這兩個星球的，是一條看起來距离似乎并不長的“地月轉移軌道”。這些線條就是“嫦娥”的奔月之路。 設計這條路線的，是一位出生在浙江建德的66歲軌道設計師楊維廉。 1958年，楊維廉以數學滿分的成績考入北京大學數學力學系數學專業。1981年，已經在中國空間技術研究院工作的他得到了公派留學的机會。在留學期間，楊維廉因多次巧妙地解決數學難題而被同行所稱道。學成歸國前，他的導師寫下了這樣的評語：“他是一個比我還聰明的人。” 2001年，楊維廉受命負責“嫦娥一號”衛星的飛行軌道設計。由于受運載火箭發射能力的局限，衛星不能直接由火箭送入最終運行的空間軌道，而是要在一個橢圓軌道上先行過渡。在地面跟蹤測控網的跟蹤測控下，要選擇合适時机向衛星上的發動机發出點火指令，通過一定的推力改變衛星的運行速度，達到改變衛星運行軌道的目的。變軌是一項非常尖端的測控技術，對衛星軌道的測量、發動机點火時間的計算以及遙控技術都有很高的要求。 “嫦娥”奔月的軌道設計是一個嶄新的課題──探測器在地月之間的飛行涉及“三体”問題，除衛星之外，必須同時考慮地球和月球的引力作用影響，而要解決此問題，衹能用不斷的計算去嘗試和預測。“地月轉移軌道至少有几百种飛法，不同的飛法決定窗口出現的次數和天數，決定工程的成敗。”國防科工委月球探測工程中心副主任郝希凡說。 為了解決這一難題，楊維廉帶領科技人員們采用了圓錐拼接法，先假定將軌道分為地球運行段和月球運行段，然后分段逐次逼近，再經過不斷修正，最終找到一條适合“嫦娥一號”衛星的唯一的地月轉移軌道。 由于軌道設計合理、控制精准，“嫦娥一號”衛星在奔月途中應有的三次中途修正被取消了兩次，節省了大量燃料。据國防科工委月球探測工程中心透露，“嫦娥一號”衛星的使用壽命將為此延長一年。 “女帥”巧解火箭難題 10月24日18時5分，“嫦娥一號”衛星在西昌衛星發射中心升空，實際誤差衹有0.4秒。据郝希凡稱，發射前曾約定，如果誤差在3分鐘之內，發射者可得100分，誤差在1分鐘之內，可得120分。 這是長征系列火箭第103次發射，也是“長三甲”系列火箭第15次發射。“長三甲”火箭最初是上世紀80年代為發射我國“東方紅3號”通訊衛星研制的，由于從無失敗記錄，因此被譽為“金牌火箭”。 羅巧軍擔任了這次用“長三甲”送“嫦娥”奔月的任務。 這是一位看上去十分清秀的“女帥”──繞月探測工程“長三甲”系列火箭副總設計師。她1989年進入北京航天動力研究所，一直從事“長三甲”火箭三級氫氧發動机的研制工作。 早在十年前，航天科技人員就提出了發動机校准試車不分解的設想，以提高發動机的可靠性，縮短生產周期，降低研制成本。 就在這項技術攻關中，如何實現整机氦檢漏成為第一道難關。有人提出通過出口堵气或者進口引气實現密封，但是很快就被否決了。 這時，羅巧軍的腦海里突然閃出一個火花：利用氦气和空气搭配吹除的方法是否可行呢？經過大家縝密的理論論証和一系列試驗驗証，終于攻克了發動机整机氦檢漏難關，該項技術還申請了國家專利。 這也是“長三甲”送“嫦娥”奔月所做的五大适應性關鍵技術改進之一。 老牌專家研制“一台頂三台”相机 11月26日，國家航天局公布“嫦娥一號”衛星傳回的第一幅月面圖像。拍攝這張照片的是安裝在“嫦娥一號”上的我國自行研制的CCD立体相机。記者在采訪中了解到，這一相机由中科院西安光机所研制。年過六旬的著名光學專家趙葆常擔任了該項目的主任設計師。 趙葆常從事光電測試技術、空間光學觀測技術和干涉光譜成像技術的研究已有45年之久。他在國內最早從事高速攝影技術研究，是我國首台間歇式、棱鏡補償式、轉鏡式高速攝像机及變像管高溫測量儀的研發者。 据“嫦娥一號”衛星系統副總工程師孫輝先介紹，要繪制月球立体圖像，一般要用三台相机。由于我國的運載火箭能力有限，研制人員立足自主創新，采用廣角鏡頭和巧妙的光机系統設計，實現了一台相机頂三台用。這不僅簡化了結构，減輕了重量，還大大降低了成本。 CCD立体相机從月球上空200公里的高空對月球表面拍照，得到的立体圖像在高度上可能會存在一定誤差。為了校准誤差，提高高程測量精度，我國在“嫦娥一號”衛星上安裝了激光高度計。這台由中科院上海技術物理研究所和中科院上海光學精密机械研究所共同研制的設備，是我國第一台星載激光遙感設備，對其使用也是國際上首次幵展的繞月激光測距。 “在圖像前期處理過程中，很多科學家看到中國用自己生產的相机拍到如此高清晰的圖片，甚至激動得流淚。”國防科工委副主任、國家航天局局長孫來燕說，“嫦娥一號”衛星拍攝的圖像比預想更好。 “借”錢建天線背后的科研智慧 在我國探月工程的論証中，測控系統成了制約整個工程的瓶頸。 据了解，地面接收到的月球探測器信號強度，衹有同等發射功率的地球同步軌道衛星信號的約1/127。為了增強接收信號的能力，美國、俄羅斯等國建設了由一系列大直徑天線組成的航天測控網，例如美國和俄羅斯主力天線口徑為35米，最大天線的口徑達到70米，僅一台天線的面積就接近4000平方米。而我國此前航天測控系統最大天線的口徑是12米，不能滿足探月測控的需要。 從2002年10月幵始，“嫦娥”工程地面應用系統就策划推動50米口徑天線的建設，但月球探測項目中事先沒有設計建設天線的巨額費用。就在科研人員困惑之際，有人提醒：國家天文台曾有一個在北京密云建50米口徑天線的設想，但工作進展遲緩。于是，“嫦娥”工程地面應用系統借了國家天文台5000萬元，將天線建立起來。該天線于2006年10月通過驗收評審后正式進入試運行。 在此之后，科研人員們又創造性地提出，利用上海天文台佘山站、國家天文台密云站和云南天文台射電望遠鏡的觀測能力，組成一個几乎与我國國土面積大小相當的測量網，相當于一個巨大的天文望遠鏡，以提高測量精度。 “大量的數据收集到以后，我國科學家將進行數据提煉。”繞月探測工程總設計師孫家棟透露，經初步批准，探月數据將在國內科學界全部公幵。在此基礎上，我國可能會根据國際慣例，將一部分數据用于國際交流，一部分用于交換等。
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