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全面解析“嫦娥三號”四大挑戰 76米發射塔架曝光

2013年12月01日 15:15 來源:北京晚報 字號:       轉發 列印

    今天上午,記者再次走進發射前的西昌衛星發射中心,為即將出征的“嫦娥三姑娘”送行。西昌發射中心,坐落在西昌城北60公里的峽谷中。衛星發射測試,指揮控制,跟蹤測量,通信,氣象,勤務保障六大系統的相應場區,都分散在峽谷之中的不同區域。76米高的發射塔架和300多米高的避雷塔,巍峨地聳立於峽谷的底端。這裡是一個三面環山,向東南開口的半封閉小盆地,面積約2平方公里。

    大山深處的西昌衛星發射中心發射場,靜謐而肅穆。今天上午,已經確認了嫦娥三號的狀態監測,下午5點半開始加注低溫燃料。這裡的一切準備工作都在靜悄悄地進行著,發射場一片空寂,平靜之下掩藏著航太人激動的心情和焦急的渴望。

    高高的發射塔巍然聳立,銀白色塔體上,“中國西昌衛星發射中心”幾個大字遒勁有力,一座高達97米的活動塔將發射架包裹起來,人們只能通過活動塔上方看到一截白色的整流罩,整裝待“嫁”的“嫦娥三姑娘”羞澀地藏于“閨中”,靜待出征。

    工作人員介紹,塔架由11層工作平臺和相對應的電纜提桿組成,同時對星箭進行吊裝對接,加注燃料和垂直測試。下午5點半,活動塔將張開雙臂,放開緊緊擁在懷裏的“嫦娥三姑娘”,活動塔會坐著鐵軌移動到不遠處,只剩下嫦娥三號與發射塔架等待著飛天的緊張一刻。

    低溫推進劑加注早晚一分都不行

    今天上午,西昌衛星發射中心已進入發射前工作程式。火箭常規推進劑昨天已經開始加注,預示火箭進入發射程式。今天下午,在發射前數小時,品質更輕、能量更高的低溫推進劑也將被加注。

    任務發射場區指揮部副指揮長趙民介紹,西昌衛星發射中心作為我國唯一使用低溫推進劑的發射場,使用的低溫推進劑包括液氫、液氧和液氮。加注液氮和液氧必須滴液不漏。此外,加注低溫推進劑的時間不能早一分或晚一分,早一分就會造成揮發,晚一分又有可能錯過發射窗口。因此,低溫推進劑加注一直到發射前4分半鐘才能完成。操作中既要防凍傷,又要防明火、靜電等。

    趙民介紹説,中心已形成了一整套防護方法,包括加強現場管理,禁止手機、打火機等進入加注現場50米範圍內;研發了氫報警裝置;進入加注程式後,一律使用防爆電源等。

    氣象預報誤差不能超過一攝氏度

    在嫦娥三號發射任務中,發射場氣象部門主要承擔兩項任務:一是提供高空風探測數據,二是提供天氣溫度的預報。

    世界航太史上,曾有過因高空風問題導致失敗的案例。11月、12月的西昌處於高空風的多發期,這給嫦娥三號任務的成功發射增加了難度。中心對近40年的氣候資料進行分析比對,對8000米到12000米的高空風進行精確預測,氣溫預報誤差不超過一攝氏度。同時,火箭自身也採取了很多防止高空風的設計和措施。目前預測,發射當天天氣狀況良好。

    “12月份,西昌的降雨雷暴較弱,影響火箭發射主要是高空風,它直接影響著火箭的飛行軌道。”西昌衛星發射中心高級工程師江曉華説。

    氣溫是影響嫦娥三號發射的另一重要因素。“因為低溫火箭的助推劑是液氫液氧,對溫度有著極高的要求。”江曉華説,液氫的溫度是零下253攝氏度,液氧是零下183攝氏度。隨著空氣溫度的變化,燃料揮發程度也不同,這直接影響著加注量。如果不能準確預報場區發射時刻的溫度,液氫液氧加注量的變化將影響火箭的推力。

    “嫦娥三號衛星的發射‘窗口’——也就是適宜發射的時間範圍只有3天,不像其他任務每天都是‘窗口’,這對氣象預報的要求更高。”江曉華説。

    “我們開展了區域精細化預報:逐時逐段精確預報以發射塔為中心3公里範圍的氣溫、濕度、雲量、地面風、高空風等氣象情況,為探測器創造最好的奔月條件。”發射中心氣象室主任汪正林説。

    氣象人員對場區30多年來的高空風探測資料進行了詳細統計分析,建立了天氣預報模型。 隨著發射時間的臨近,對高空風的探測次數不斷增加。

    “為了能準確預報發射場區發射階段的氣溫,我們確定的預報溫度誤差標準不能超過一攝氏度。”江曉華説,發射中心擁有較為完善的雷電預警系統,可以將發射場區雨季短期預報、雷電綜合預報的準確率提高到95%以上。

    除了對發射場區的氣候資料進行專題統計、分析研究外,他們還通過歐洲中心氣象局、國家氣象局和基地區域小範圍預報,分析發射場區情況。

    火箭發射

    四大挑戰

    探月工程發射場系統副指揮長趙民在接受記者採訪時説,嫦娥三號技術狀態新、要求標準嚴、技術難度大,火箭發射要克服四大挑戰。

    低溫燃料加注。長征三號乙運載火箭三級採用的是液氫、液氧推進劑。液氫的保存溫度為零下253攝氏度,液氧的保存溫度為零下183攝氏度,在加注時燃料不可避免地産生揮發,所以必須精確計算燃料的加注量。如果第一窗口不能發射,還涉及將液氫液氧的卸出問題,極易使火箭保溫箱發生損壞,不僅會影響低溫燃料的再次加注,還可能導致爆炸。

    氣候複雜多變。西昌屬山區地形,素有“十里不同天”之稱,氣候變化頻繁。此外,火箭低溫燃料加注對溫度變化要求很高,這些無疑給氣象預報增加了不小的難度。

    “零窗口”發射要求高。嫦娥三號任務是多窗口、窄寬度發射。12月共有3天6個窗口。發射窗口最長4分鐘,最短的僅為1分鐘,對發射的精準度要求很高。一旦第一個發射窗口不能發射,必須要儘快進入第二個發射窗口的工作狀態。根據任務安排,第一個發射窗口與第二個發射窗口間隔僅40多分鐘,所以轉換難度很大,對快速確定不同參數等方面提出更高要求。

    多重任務交叉重疊。發射場在執行嫦娥三號任務時,還承擔了其他航太器的發射任務。這給發射中心及各系統間的組織指揮、統籌協調、品質監督和人員調配提出挑戰。

    火箭系統

    六大改進

    “嫦娥三號”任務運載火箭系統總設計師姜傑介紹,任務對火箭系統在運載能力等方面提出了更高的要求,火箭系統也實現了六大改進來應對新的挑戰。

    由於嫦娥三號比嫦娥二號重了1000多公斤,入軌精度提高3倍多,需要突破多項技術才能滿足發射要求,因此托舉嫦娥三號探測器奔月的重任交給了長征三號乙改進型火箭。這一型號的火箭長56米多,捆綁有4個助推器,起飛重量約456噸,也是目前中國運載能力最強的三級液體火箭。它的任務是將嫦娥三號送到近地點200公里,遠地點約38萬公里的地月轉移軌道。

    此次嫦娥三號任務是多窗口、窄寬度發射。“3天6個發射窗口,每個窗口的發射時間間隔非常短。”姜傑介紹,相比嫦娥二號任務,嫦娥三號任務對運載火箭系統的運載能力、入軌精度、發射窗口、適應能力等方面提出了更高的要求。

    為適應任務要求,火箭系統實現了“六大改進”。不僅對火箭的運載能力、高精度導航制導能力、可靠性、適應性、多窗口發射能力等方面作了改進,火箭的箭身上還加裝了一組攝像頭,可以看到飛行過程中的重要分離動作。

    比如,由於此次嫦娥三號探測器與此前的嫦娥一號、二號在外形結構上有較大變化,因此火箭設計了新的探測器支架,也就是火箭與探測器之間的機械連接機構,以提高火箭的適應性。“全新的支架結構可以保證在飛行過程中,探測器‘坐’在火箭上能夠可靠、舒適、安全。”據了解,此次任務是自1994年首飛以來,長三甲系列的第58次發射任務,同時也是長三乙這一型號的第25次發射。

    落月探測

    1

    嫦娥三號從距離月面15公里高度的近月點開始下降,自由降落到約100米的距離後,反衝小火箭開啟,造成阻力,減速下降。

    利用微波測距敏感器、鐳射測距敏感器等進行對月測距測速,利用光學成像敏感器等進行避障。

    2

    在距離更為接近月球表面時,嫦娥三號則會懸停一段時間,選擇最佳著陸點。確定目標後,在距月球表面約4米高度時,發動機熄火關機,穩穩降落。

    3

    著陸後將釋放巡視器——“玉兔號”月球車。月球車首先會被移動到轉移機構上,通過轉移機構離開著陸器。

    “玉兔號”月球車離開著陸器,抵達月面。著陸器和“玉兔號”進入工作狀態。月晝時,著陸器就地展開科學探測,“玉兔號”則在月面巡視勘察。月夜時,設備斷電休眠,依靠同位素熱源 4

    保持溫度;月夜後,通過光照自主喚醒。著陸器將在月面工作一年,“玉兔號”將巡視勘察3個月。

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