对嫦娥一号的理解

【专家解说】：嫦娥一号 开放分类： 月球、航空航天、宇航、探月、宇宙探险 目录• 嫦娥一号概况 • 月球探测工程准备 • 发射过程 • 变轨过程 • 近月制动 • 嫦娥一号日志 • 嫦娥工程十大关键点 • 各界反响 • 重大意义 • 中国探月计划 • 相关资料 • 嫦娥一号发射视频 • 重大意义 • 中国探月计划 • 相关资料 • 嫦娥一号发射视频 嫦娥一号概况 “嫦娥一号”（Chang'E1）是中国自主研制、发射的第一个月球探测器。中国月球探测工程嫦娥一号月球探测卫星由中国空间技术研究院承担研制，以中国古代神话人物嫦娥命名，嫦娥奔月是一个在中国流传的古老的神话故事。嫦娥一号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。整个“奔月”过程大概需要8-9天。嫦娥一号将运行在距月球表面200千米的圆形极轨道上。嫦娥一号工作寿命1年，计划绕月飞行一年。执行任务后将不再返回地球。嫦娥一号发射成功，中国成为世界第五个发射月球探测器国家、地区。 嫦娥一号是中国的首颗绕月人造卫星，由中国空间技术研究院承担研制。嫦娥一号平台以中国已成熟的东方红三号卫星平台为基础进行研制，并充分继承“中国资源二号卫星”、“中巴地球资源卫星”等卫星的现有成熟技术和产品，进行适应性改造。卫星平台利用东方红三号卫星平台技术研制，对结构、推进、电源、测控和数传等8个分系统进行了适应性修改。嫦娥一号星体为一个2米×1.72米×2.2米的长方体，两侧各有一个太阳能电池帆板，完全展开后最大跨度达18.1米，重2350千克。有效载荷包括CCD立体相机、成像光谱仪、太阳宇宙射线监测器和低能粒子探测器等科学探测仪器。 嫦娥一号月球探测卫星由卫星平台和有效载荷两大部分组成。嫦娥一号卫星平台由结构分系统、热控分系统、制导，导航与控制分系统、推进分系统、数据管理分系统、测控数传分系统、定向天线分系统和有效载荷等9个分系统组成。这些分系统各司其职、协同工作，保证月球探测任务的顺利完成。星上的有效载荷用于完成对月球的科学探测和试验，其它分系统则为有效载荷正常工作提供支持、控制、指令和管理保证服务。 嫦娥一号的工程目标包括：研制、发射中国第一颗探月卫星；初步掌握绕月探测基本技术；开展月球科学探测；建设月球探测航天工程系统；为月球探测后续工程积累经验。嫦娥一号负担的任务包括4项科学任务：拍摄三维月球地形图；探测月球上特殊元素的分布；探测月球土壤厚度以及氦-3的储量；探测距离地球40万公里的空间环境。“嫦娥一号”卫星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。 根据中国月球探测工程的四项科学任务，在嫦娥一号上搭载了8种24台件科学探测仪器，重130千克，即微波探测仪系统、γ射线谱仪、X射线谱仪、激光高度计、太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器、CCD立体相机、干涉成像光谱仪。 在初样研制阶段，有电性星和结构星这两颗初样卫星承担卫星测试工作。电性星的试验主要是用于一些带有电子性能的设备的综合测试，结构星的试验主要是要考核结构设计的合理性，和整星上温度控制设计的合理性。两颗初样星进行整星测试。整个初样测试阶段持续到2007年6月份，随后进入卫星正样星的研制阶段，进行“嫦娥一号”正样卫星的研制。 为了保证完成月球探测工程任务，对承担卫星发射任务的长征三号甲火箭进行了41项可靠性的设计工作，以提高其运载可靠性。 “嫦娥一号”月球探测卫星于2007年10月24日在西昌卫星发射中心由“长征三号甲”运载火箭发射升空。运行在距月球表面200千米的圆形极轨道上执行科学探测任务。 北京时间2007年10月24日18时05分（UTC＋8时）左右，嫦娥一号探测器从西昌卫星发射中心由长征三号甲运载火箭成功发射。卫星发射后，将用8天至9天时间完成调相轨道段、地月转移轨道段和环月轨道段飞行。经过8次变轨后，于11月7日正式进入工作轨道。11月18日卫星转为对月定向姿态，11月20日开始传回探测数据。 2007年11月26日，中国国家航天局正式公布嫦娥一号卫星传回的第一幅月面图像。 2007年12月12日上午10时，庆祝我国首次月球探测工程圆满成功大会在北京人民大会堂举行。 月球探测工程准备 探月计划酝酿10年 1994年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。 月球探测工程立项 中国的探月计划经过长期准备、10年论证，于2004年1月正式立项，被称作“嫦娥工程”。该工程目前主要集中在绕月探测、月球三维影像分析、月球有用元素和物质类型的全球含量与分布调查、月壤厚度探查以及地月空间环境探测。嫦娥一号”卫星有效载荷的研制测试工作由中国科学院空间科学与应用研究中心负责。 携带仪器 卫星有效载荷因不同的航天任务而异，搭载的科学探测的仪器和科学实验的设备有效载荷包括微波探测仪分系统、空间环境探测分系统、有效载荷数据管理分系统等。微波探测仪分系统将主要对月壤的厚度进行估计和评测，这是国际上首次采用被动微波遥感手段对月表进行探测。空间环境探测分系统由太阳高能粒子探测器等3台设备组成，将探测地月和近月的空间环境参数。还有用于拍摄地球表面照片的CCD相机。 嫦娥一号准备使用的科学仪器包括：CCD立体相机（用于拍摄全月面三维影像）；激光高度计；成像光谱仪（用于获取月面光波图谱）；伽马/X射线谱仪（用于探测月球表面元素）；微波探测仪（用于获取月壤厚度）；以及月球背面亮度温度图和月球两极地面信息（世界上首次在探月卫星上使用）；太阳高能粒子探测器；低能离子探测器 。 任务与目标 中国首次月球探测工程四大科学任务： 一、获取月球表面三维立体影像，精细划分月球表面的基本构造和地貌单元，进行月球表面撞击坑形态、大小、分布、密度等的研究，为类地行星表面年龄的划分和早期演化历史研究提供基本数据，并为月面软着陆区选址和月球基地位置优选提供基础资料等。 二、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点，主要是勘察月球表面有开发利用价值的钛、铁等14种元素的含量和分布，绘制各元素的全月球分布图，月球岩石、矿物和地质学专题图等，发现各元素在月表的富集区，评估月球矿产资源的开发利用前景等。 三、探测月壤厚度，即利用微波辐射技术，获取月球表面月壤的厚度数据，从而得到月球表面年龄及其分布，并在此基础上，估算核聚变发电燃料氦3的含量、资源分布及资源量等。 四、探测地球至月球的空间环境。月球与地球平均距离为38万公里，处于地球磁场空间的远磁尾区域，卫星在此区域可探测太阳宇宙线高能粒子和太阳风等离子体，研究太阳风和月球以及地球磁场磁尾与月球的相互作用。 中国首次月球探测工程由月球探测卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用等五大系统组成，工程系统五项工程目标： 1、研制和发射我国第一个月球探测卫星； 2、初步掌握绕月探测基本技术； 3、首次开展月球科学探测； 4、初步构建月球探测航天工程系统； 5、为月球探测后续工程积累经验。 技术难点 1、轨道设计与飞行程序控制问题 2、卫星姿态控制的三矢量控制问题 3、卫星环境适应性设计 4、远距离测控与通信问题 发射过程 “嫦娥一号”卫星发射后首先将被送入一个椭圆形地球同步轨道，这一轨道离地面最近距离为200公里，最远为5.1万公里，探月卫星将用16小时环绕此轨道一圈后，通过加速再进入一个更大的椭圆轨道，距离地面最近距离为500公里，最远为12.8万公里，需要48小时才能环绕一圈。此后，探测卫星不断加速，开始“奔向”月球，大概经过114小时的飞行，在快要到达月球时，依靠控制火箭的反向助推减速。在被月球引力“俘获”后，成为环月球卫星，最终在离月球表面200公里高度的极月圆轨道绕月球飞行，开展拍摄三维影像等工作。卫星奔月总共需时114个小时，距离地球接近38.44万公里。而过去，中国发射的卫星距离地面一般都在3.58万公里左右。 发射倒计时 36小时：部分系统进行最后“体检”。 12小时：进入发射前功能检查状态。 8小时：进入发射程序，各系统进行辅助准备。 7小时：加注液氧。 5.5小时：加注液氢。 2小时：进入射前系统。地面开始给系统加电，同时各种口令也在这时开始下发。 40分钟：3号塔架回转平台开始展开。 15分钟：最后一批人员撤离。 90秒：转电。从地面给系统供电，变为系统内部电池供电。 60秒：从塔架后伸向前塔的橘黄色电缆摆杆此时摆开，准备为火箭点火、发射。 40秒：01号指挥员开始报告倒计时。 30秒：牵动。是过去发射系统的专有命令，尽管现在已经不再使用有关系统，但这一程序沿用至今。 10秒：点火倒计时。 0秒：点火。 发射过程 2007年10月24日18时05分04.602秒成功发射升空！ 18:07火箭一二级分离。 18:09整流罩分离火箭飞出大气层。 18:10火箭二三级分离。 18:15火箭三级发动机一次关机星箭结合体进入滑行阶段。 18:25卫星进入初始地球轨道。 18:26三级火箭二次点火。 18:28三级火箭发动机二次关闭。 18:29星箭分离卫星进入近地点205公里，远地点50930公里，周期16小时的超地球同步轨道。 18:36卫星指控转入北京航天飞行控制中心。 18:59卫星太阳能帆板打开。 10月24日19时15分确定发射成功！ 变轨过程 重要性 10月24日18时29分，星箭成功分离之后，嫦娥一号卫星进入近地点为205公里，远地点为50930公里，周期为16小时的超地球同步轨道。卫星在这个轨道上“奔跑”一圈半后，预计于25日下午进行第一次变轨。变轨后，卫星轨道近地点将抬高到离地球约600公里的地方。卫星和运载火箭分离后，需要4次变轨，才能逐步加速到地月转移轨道的入口速度。每次近地点加速的时间只有短短的几分钟，必须在短时间内及时向卫星发出指令，而卫星发动机必须精确响应，否则卫星就有可能飞向别的方向。 10月25日17时55分，北京航天飞行控制中心对嫦娥一号卫星实施首次变轨控制并获得成功。这次变轨是在卫星运行到远地点时实施的，而此后将要进行的3次变轨均在近地点实施。 在对卫星的运行轨道实施变轨控制时，一般选择在近地点和远地点完成，这样做可以最大限度地节省卫星上所携带的燃料。嫦娥一号卫星的首次变轨之所以选择在远地点实施，是为了抬高卫星近地点的轨道高度。只有在远地点变轨才能抬高近地点的轨道高度。要改变远地点的高度就需要在近地点实施变轨。第一次变轨把卫星近地点的高度抬高后，就会增加布置在近地点附近测量船的跟踪测控时间，有利于监视变轨过程。因为，卫星离地面越高，测控站、船跟踪测控的时间就会越长，这就为以后要进行的3次近地点变轨打下坚实的基础。 按照测控方案安排，10月26日将对嫦娥一号卫星实施第一次近地点变轨。变轨后，卫星将进入远地点为71400千米、周期为24小时的运行轨道。第二次近地点变轨后，卫星将进入远地点为121700千米、周期为48小时的绕地运行轨道。第三次近地点变轨时，卫星将进入地月转移轨道，踏上长达5天的奔月征途。 根据开普勒关于行星运动的三大定律的第一定律：所有行星的运动轨道都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点。在以太阳S为极点、近日点方向SP为极轴的极坐标中，行星相对于太阳的运动轨迹为椭圆PP1P2P'1P'，PSP'=2a表示椭圆的长径。这个定律也适用于卫星系统。既然是椭圆轨道，当然就有离的最近的和离的最远的地方，所以，环绕地球飞行的飞行物，在椭圆的轨道上（离地球）最远的就是远地点，最近的就是近地点。 变轨过程 2007年10月25日17时55分完成第一次变轨指令发出130秒后，卫星近地点高度由约200公里抬高到约600公里，变轨圆满成功。这次变轨表明，嫦娥一号卫星推进系统工作正常，也为随后进行的3次近地点变轨奠定了基础。这次变轨是嫦娥一号卫星在约16小时周期的大椭圆轨道上运行一圈半后，在第二个远地点时实施的。 北京时间10月26日17时44分，远望三号测量船消息，嫦娥一号卫星成功实施第二次变轨。这是卫星的第一次近地点变轨。嫦娥一号卫星第二次变轨后，将进入24小时周期轨道。远地点高度由5万多公里提高到7万多公里。 北京时间10月29日18时01分39秒，远望三号测量船消息，卫星成功实施第三次变轨。10月29日第二次近地点变轨，卫星远地点高度由7万余公里提高到12万余公里，开创了我国最远航天测控的新纪录。进入绕地飞行48小时周期轨道。 北京时间10月31日17时28分，嫦娥一号卫星成功实施第四次变轨，顺利进入地月转移轨道，开始飞向月球。卫星远地点高度由12万余公里提高到37万余公里，进入114小时地月转移轨道。这也是卫星入轨后的第三次近地点变轨。北京时间17时15分，嫦娥一号卫星接到指令，发动机工作784秒后，正常关机。北京飞控中心对各项测量数据的计算表明，卫星变轨成功。由绕地飞行轨道顺利进入地月转移轨道。 11月2日上午10时33分，嫦娥一号卫星成功实施了首次轨道中途修正。10时25分，嫦娥一号卫星按照指令要求，星上装载的两个小推力发动机点火成功，对卫星飞行航向实施修正。10时33分，发动机关机，卫星首次轨道修正完成。（后取消） 脱离地球 “嫦娥一号”卫星在发射升空后要先围绕地球用5天的时间转5圈，第一个阶段是绕3圈，每圈16小时，第二阶段是用24小时绕一圈，第3个阶段是用48小时绕一圈。 火箭把卫星送入轨道后，地面注入指令，卫星主发动机点火实施变轨，将近地点抬高到约600公里，让卫星经过测控站上方时速度相对减少，便于后续控制。第二、三、四次点火实施变轨，让卫星不断加速：这3次变轨目的都是加速，每变轨一次，卫星的速度就增加一点，通过3次累积，卫星加速到10.916公里/秒以上的进入地月转移轨道的最低速度，向月球飞去。 近月制动 11月5日11月5日11时15分，嫦娥一号卫星主发动机点火，第一次近月制动开始，嫦娥近月制动将持续22分钟。11时37分，嫦娥一号卫星主发动机关机，第一次近月制动结束。到达距离月球420公里，第一次近月制动进入12小时月球轨道。 11月6日第二次近月制动进入近月点200公里，远月点1700公里，周期为3.5小时的轨道，运行3圈。 11月7日8时24分，第三次近月制动开始，这次近月制动将持续10分钟。8时34分成功完成第三次近月制动，卫星进入周期为127分钟，环绕月球南、北极的，高度200公里的极月圆形环月工作轨道。 近月制动克服三大挑战 第一个挑战来自制动时机的唯一性，如果不能在月球捕获点实施近月制动，卫星就将与月球失之交臂，难以进入环月轨道。 第二个挑战是月球空间环境的复杂性，由于是中国卫星首次绕月飞行，对其空间环境缺乏实际的了解和认识。 第三个挑战来自对轨道的测量与控制。按照计划，嫦娥一号卫星要实施三次近月制动。第一次要把卫星的飞行速度从每秒2.4公里降到每秒2.06公里，进入周期为12小时的椭圆环月轨道，第二次要把速度降到每秒1.8公里，进入周期为3.5小时的环月轨道，第三次再降到每秒1.59公里，最终进入周期为127分钟的极月圆轨道。如果没有高精度的测定轨技术和轨道控制技术，很难保证这些任务的完成。 嫦娥一号日志 • 2007-11-03 嫦娥一号卫星不再实施中途修正直飞月球捕获点。 • 2007-11-04 嫦娥一号卫星飞至距地面38万公里高度。嫦娥一号将会在月球吸引下加快飞行速度。 • 2007-11-05 嫦娥一号卫星根据参数调整姿态及轨控姿态，嫦娥一号主发动机点火实施第一次近月制动，工作22分钟后，正常关机。月球捕获卫星，卫星进入周期为12小时的椭圆环月轨道。成功完成首次近月制动后顺利进入环月轨道，嫦娥一号成为中国第一颗月球卫星。 • 2007-11-06 嫦娥一号实施第二次近月制动，卫星发动机准时点火，工作14分钟后，正常关机。顺利进入3.5小时轨道。第二次近月制动主要目的是使嫦娥一号进一步降低飞行速度，使其进入“过渡”轨道，从而为卫星最终进入工作轨道做准备。 • 2007-11-07 8时24分嫦娥一号卫星实施第三次近月制动。卫星顺利进入高度为200公里、周期为127分钟的工作轨道。即将进行绕月探测活动。并向地面传回30首歌曲。 • 2007-11-20 国家航天局宣布：嫦娥一号卫星工作正常 有效载荷公用设备打开。卫星已处于三体定向姿态，即太阳帆板跟踪太阳以保持供电，定向天线跟踪地球以保持通信，星上安装有效载荷的一面对着月球以利于科学探测。开始传回探测数据，经过处理制作完成第一幅月面图像。 • 2007-11-21 嫦娥一号卫星在轨测试正常，星地之间数据传输畅通。 • 2007-11-26 中国国家航天局正式公布嫦娥一号卫星传回的第一幅月面图像。这幅月面图像位于月表东经83度到东经57度，南纬70度到南纬54度。图幅宽约280公里，长约460公里。 • 2007-12月2号和3号进行了轨道维持，卫星轨道调整为近月点193公里，远月点194公里。 • 2007-12-09 国家航天局公布部分月球探测数据 • 2007-12-11 国家航天局正式发布部分月球背面图像 嫦娥工程十大关键点 10月24日18时05分，在西昌卫星发射中心，长征三号甲运载火箭携带嫦娥一号卫星顺利升空——“嫦娥一号”开始奔月之旅。在嫦娥一号卫星飞向38万公里外月球的过程中中，需要进行一系列高度复杂又充满风险的动作。中国绕月探测工程总指挥栾恩杰在接受新华社记者采访时说。“如果从卫星发射到最后数据分析过程的10个关键环节都能顺利完成，那么绕月探测就圆满成功了。” 关节点一：运载火箭发射 美国和苏联在20世纪的探月活动，因运载火箭故障造成的探测失利占了很大比重。因此，运载火箭的高可靠性，是确保探月成功的必要前提。 将嫦娥一号卫星送上太空的，是长征三号甲运载火箭。这次发射是长征三号甲运载火箭的第15次发射，迄今这一型号火箭的发射成功率为100％。此前，长征三号甲运载火箭与应用广泛的东方红3号卫星平台曾多次“联姻”，每次都取得圆满成功，用来发射在东方红3号卫星平台上研制而成的嫦娥一号卫星最合适。 在中国现有的3个航天发射场中，只有西昌卫星发射中心具备发射长征三号甲等大推力火箭的能力，而且这里纬度低、海拔高、交通便利，是发射各类地球同步轨道卫星的理想场所。 关节点二：入轨 卫星能否准确进入预定轨道，是判断发射是否成功的重要标志。 长征三号甲运载火箭在发射嫦娥一号卫星时，通过第一、二级和第三级的第一次点火，先将卫星送入近地轨道，并在近地轨道滑行飞行一段时间。在火箭起飞的第1249秒，三级火箭第二次点火；第1373秒，三级火箭二次点火发动机关机。第1473秒，星箭分离成功，嫦娥一号卫星进入近地点约200千米、远地点约51000千米、运行时间为16小时的大椭圆轨道，成为一颗绕地球飞行的卫星。 关节点三：变轨 嫦娥一号卫星在16小时轨道飞行一圈半后，10月25日，地面注入指令，卫星上推力为50牛顿的调姿发动机开始点火，约4分钟后，推力为490牛顿的主发动机点火实施变轨，将卫星轨道近地点抬高到离地球约600公里的地方。10月26日，当卫星再次到达近地点时，卫星主发动机再次打开，巨大的推力使卫星上升到24小时轨道。在24小时轨道上运行3圈后，10月29日卫星上的主发动机第三次点火，实施第二次近地点变轨，嫦娥一号卫星进入48小时轨道。 这几次变轨都是通过卫星上的发动机使卫星加速。从理论上讲一次变轨就可以实现，但为了充分利用燃料，同时也为了方便地面控制，把变轨逐步分解。 关节点四：奔月 在3条大椭圆轨道上经过7天后，嫦娥一号卫星将正式奔月。 10月31日，当卫星再一次抵达近地点时，主发动机打开，卫星的速度在短短几分钟之内提高到10.916千米/秒以上，进入地月转移轨道，真正开始了从地球向月球的飞越。 嫦娥一号卫星选择的奔月方式有着3方面的优点：一是可以确保重力损耗控制在5％以下；二是将几次近地点机动安排在同一地区，有利于地面监测；三是安排了24小时轨道，可以比较方便地解决发射日期延后的问题。 关节点五：修正 在地月转移轨道，也就是从地球轨道到月球轨道的这段距离，嫦娥一号卫星需要飞行约114个小时。 在人类探月活动的历史上，曾多次发生探测器未能实现月球的捕获而丢失在星际间的事故，这大多是由于飞行过程中卫星姿态和速度控制不精确造成的。如果卫星在地月转移轨道近地点有1米/秒的速度误差或1千米的高度误差，飞到月球附近时都将产生几千千米的位置误差。 在高速飞行的过程中，嫦娥一号卫星必须在地面的指令下进行中途轨道修正。一般来讲，至少需要进行两次修正，第一次是在进入地月转移轨道的一天之内，第二次是在到达月球的前一天内。这些指令，都是由设在北京的航天飞行控制中心发出的。 关节点六：制动 11月5日前后，当嫦娥一号卫星到达距月球200千米位置时，需要实施第一次近月制动，所谓近月制动，就是给在地月转移轨道高速飞行的卫星减缓速度，需要进行减速制动，完成“太空刹车减速”，才能被月球引力捕获，建立正常姿态，进行环月飞行。成为绕月飞行的卫星。 嫦娥一号卫星在地月转移轨道上经过114小时来到距月球约200公里的近月点时，卫星飞行速度达到每秒约2.4公里，如不及时有效制动，卫星将飞离月球，与月球的再次交汇将更加困难。如果制动量过大，将会撞击月球。。“减速制动”是否成功，关键取决于卫星当时的位置和速度矢量是否正确。经过多次复核、复算，中国已具备对距地球38万公里卫星进行精确测控的能力。 关节点七：绕月 11月5日11时25分，嫦娥一号卫星第一次近月制动，从地月转移轨道进入12小时月球轨道。从这一刻起，嫦娥一号卫星成为真正的绕月卫星。 11月6日，嫦娥一号卫星进行第二次近月制动，速度进一步降低，卫星进入3.5小时轨道，并在这个轨道上运行7圈。 11月7日，嫦娥一号卫星进行第三次近月制动，进入127分钟月球极月轨道。这是卫星绕月飞行的工作轨道。这个轨道为圆形，离月球表面200千米。 关节点八：探测 建立月球工作轨道后，嫦娥一号卫星携带的8种科学仪器将开始为完成4项科学任务目标展开工作。 卫星所携带的CCD立体相机传回第一张月球照片，这是绕月成功的重要标志。 干涉成像光谱仪、激光高度计、CCD立体相机将共同完成获取月球表面三维立体影像；γ射线谱仪、X射线谱仪将携手对月球表面有用元素及物质类型的含量和分布进行辨析。 首次被应用到月球探测中的微波探测仪，将对月壤厚度和氦-3资源量展开探测；而由太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器组成的空间环境探测系统，将通过不间断地捕捉质子、电子和离子，对4万到40万千米范围的“地-月”空间环境展开探测。 好吗？？