"嫦娥"群英："女帅"巧解难题 数学奇才设计轨道

"嫦娥"群英："女帅"巧解难题 数学奇才设计轨道

　　“深空探测能力”包括五个方面：进入空间能力、卫星研制能力与应用能力、航天基础与保障能力、载人航天能力和空间探索能力。这些能力的形成，缘于我国在短短三年的时间里，实现了多项重大技术突破。

　　随着我国首次月球探测工程圆满成功，一个个技术突破背后的故事也浮出水面。

　　数学奇才担纲轨道设计

　　地球距月球有38万公里，“嫦娥一号”卫星并非人们所想象的——从地球径直而去，也不像美国阿波罗载人登月飞行那样，只用了3天时间，而是14天。

　　在国防科工委月球探测工程中心有一张地图：蓝色的背景下，左边是地球，右边是月球，各自周围都有三个椭圆形的大环线。连接这两个星球的，是一条看起来距离似乎并不长的“地月转移轨道”。这些线条就是“嫦娥”的奔月之路。

　　设计这条路线的，是一位出生在浙江建德的66岁轨道设计师杨维廉。

　　1958年，杨维廉以数学满分的成绩考入北京大学数学力学系数学专业。1981年，已经在中国空间技术研究院工作的他得到了公派留学的机会。在留学期间，杨维廉因多次巧妙地解决数学难题而被同行所称道。学成归国前，他的导师写下了这样的评语：“他是一个比我还聪明的人。”

　　2001年，杨维廉受命负责“嫦娥一号”卫星的飞行轨道设计。由于受运载火箭发射能力的局限，卫星不能直接由火箭送入最终运行的空间轨道，而是要在一个椭圆轨道上先行过渡。在地面跟踪测控网的跟踪测控下，要选择合适时机向卫星上的发动机发出点火指令，通过一定的推力改变卫星的运行速度，达到改变卫星运行轨道的目的。变轨是一项非常尖端的测控技术，对卫星轨道的测量、发动机点火时间的计算以及遥控技术都有很高的要求。

　　“嫦娥”奔月的轨道设计是一个崭新的课题——探测器在地月之间的飞行涉及“三体”问题，除卫星之外，必须同时考虑地球和月球的引力作用影响，而要解决此问题，只能用不断的计算去尝试和预测。“地月转移轨道至少有几百种飞法，不同的飞法决定窗口出现的次数和天数，决定工程的成败。”国防科工委月球探测工程中心副主任郝希凡说。   

　　为了解决这一难题，杨维廉带领科技人员们采用了圆锥拼接法，先假定将轨道分为地球运行段和月球运行段，然后分段逐次逼近，再经过不断修正，最终找到一条适合“嫦娥一号”卫星的唯一的地月转移轨道。   

　　由于轨道设计合理、控制精准，“嫦娥一号”卫星在奔月途中应有的三次中途修正被取消了两次，节省了大量燃料。据国防科工委月球探测工程中心透露，“嫦娥一号”卫星的使用寿命将为此延长一年。

　　“女帅”巧解火箭难题

　　10月24日18时5分，“嫦娥一号”卫星在西昌卫星发射中心升空，实际误差只有0.4秒。据郝希凡称，发射前曾约定，如果误差在3分钟之内，发射者可得100分，误差在1分钟之内，可得120分。

　　这是长征系列火箭第103次发射，也是“长三甲”系列火箭第15次发射。“长三甲”火箭最初是上世纪80年代为发射我国“东方红3号”通讯卫星研制的，由于从无失败记录，因此被誉为“金牌火箭”。

　　罗巧军担任了这次用“长三甲”送“嫦娥”奔月的任务。

　　这是一位看上去十分清秀的“女帅”——绕月探测工程“长三甲”系列火箭副总设计师。她1989年进入北京航天动力研究所，一直从事“长三甲”火箭三级氢氧发动机的研制工作。

　　早在十年前，航天科技人员就提出了发动机校准试车不分解的设想，以提高发动机的可*性，缩短生产周期，降低研制成本。

　　就在这项技术攻关中，如何实现整机氦检漏成为第一道难关。有人提出通过出口堵气或者进口引气实现密封，但是很快就被否决了。

　　这时，罗巧军的脑海里突然闪出一个火花：利用氦气和空气搭配吹除的方法是否可行呢？经过大家缜密的理论论证和一系列试验验证，终于攻克了发动机整机氦检漏难关，该项技术还申请了国家专利。

　　这也是“长三甲”送“嫦娥”奔月所做的五大适应性关键技术改进之一。

　　老牌专家研制“一台顶三台”相机

　　11月26日，国家航天局公布“嫦娥一号”卫星传回的第一幅月面图像。拍摄这张照片的是安装在“嫦娥一号”上的我国自行研制的CCD立体相机。记者在采访中了解到，这一相机由中科院西安光机所研制。年过六旬的著名光学专家赵葆常担任了该项目的主任设计师。

　　赵葆常从事光电测试技术、空间光学观测技术和干涉光谱成像技术的研究已有45年之久。他在国内最早从事高速摄影技术研究，是我国首台间歇式、棱镜补偿式、转镜式高速摄像机及变像管高温测量仪的研发者。

　　据“嫦娥一号”卫星系统副总工程师孙辉先介绍，要绘制月球立体图像，一般要用三台相机。由于我国的运载火箭能力有限，研制人员立足自主创新，采用广角镜头和巧妙的光机系统设计，实现了一台相机顶三台用。这不仅简化了结构，减轻了重量，还大大降低了成本。

　　CCD立体相机从月球上空200公里的高空对月球表面拍照，得到的立体图像在高度上可能会存在一定误差。为了校准误差，提高高程测量精度，我国在“嫦娥一号”卫星上安装了激光高度计。这台由中科院上海技术物理研究所和中科院上海光学精密机械研究所共同研制的设备，是我国第一台星载激光遥感设备，对其使用也是国际上首次开展的绕月激光测距。

　　“在图像前期处理过程中，很多科学家看到中国用自己生产的相机拍到如此高清晰的图片，甚至激动得流泪。”国防科工委副主任、国家航天局局长孙来燕说，“嫦娥一号”卫星拍摄的图像比预想更好。

　　“借”钱建天线背后的科研智慧

　　在我国探月工程的论证中，测控系统成了制约整个工程的瓶颈。

　　据了解，地面接收到的月球探测器信号强度，只有同等发射功率的地球同步轨道卫星信号的约1/127。为了增强接收信号的能力，美国、俄罗斯等国建设了由一系列大直径天线组成的航天测控网，例如美国和俄罗斯主力天线口径为35米，最大天线的口径达到70米，仅一台天线的面积就接近4000平方米。而我国此前航天测控系统最大天线的口径是12米，不能满足探月测控的需要。

　　从2002年10月开始，“嫦娥”工程地面应用系统就策划推动50米口径天线的建设，但月球探测项目中事先没有设计建设天线的巨额费用。就在科研人员困惑之际，有人提醒：国家天文台曾有一个在北京密云建50米口径天线的设想，但工作进展迟缓。于是，“嫦娥”工程地面应用系统借了国家天文台5000万元，将天线建立起来。该天线于2006年10月通过验收评审后正式进入试运行。

　　在此之后，科研人员们又创造性地提出，利用上海天文台佘山站、国家天文台密云站和云南天文台射电望远镜的观测能力，组成一个几乎与我国国土面积大小相当的测量网，相当于一个巨大的天文望远镜，以提高测量精度。

　　“大量的数据收集到以后，我国科学家将进行数据提炼。”绕月探测工程总设计师孙家栋透露，经初步批准，探月数据将在国内科学界全部公开。在此基础上，我国可能会根据国际惯例，将一部分数据用于国际交流，一部分用于交换等。

本文来源：https://www.oubohk.cn/shuxue/22015/