見證探月工程每一步!嫦娥四號乘坐的這輛“專列”真了不起

來源︰科技日報作者︰付毅飛 姜哲責任編輯︰楊帆
2018-12-08 18:42

12月8日,長征三號乙遙三十運載火箭從西昌衛星發射中心呼嘯而起,成功將嫦娥四號探測器送入地月轉移軌道。從嫦娥一號衛星至今,這已是長三甲系列火箭第五次執行探月工程任務,並全部取得成功。由于見證了探月工程的每一步,它被人們親切地稱作“嫦娥專列”。

長三甲系列火箭包括長三甲、長三乙、長三丙三種大型低溫液體火箭,承擔了我國絕大部分高軌航天器發射任務。它們是長征火箭家族高強密度發射的主力軍,也是成功率最高、技術最成熟的火箭系列,有著“金牌火箭”的美譽。

但記者從中國航天科技集團一院了解到,此次托舉“嫦娥”的長三乙遙三十火箭,經受了更嚴格的“探月標準”磨煉。該火箭總指揮金志強說︰“執行探月工程任務,要采取特殊保成功措施。”

新技術太多風險大?提前驗證

與我國上次探月任務所用火箭相比,長三乙遙三十火箭得到了65項技術改進,分布在發動機、控制系統、測量系統、箭體結構、增壓輸送系統、發射支持系統等13個分系統中。

為了盡可能減少技術首次應用帶來的不確定性,研制團隊統籌安排,借長三甲系列火箭執行其他任務時,對各項改進分批進行了飛行驗證,以確保安全可靠。

例如在今年10月的一次發射任務中,發動機艙內防水與防熱可靠性改進通過了飛行考核;伺服機構可靠性改進,已經在兩次以上發射任務中得到驗證。

據統計,在“嫦娥四號”發射前,已有60項技術改進提前經過飛行驗證,讓此次任務的技術風險大幅降低。

產品指標合格就夠了?優中選優

產品質量控制是關系任務成敗的重中之重,航天產品每一個元器件、零部件都有完備的指標考核體系,任何一個指標出現瑕疵,該產品都會在驗收過程中被淘汰。

而探月任務選擇的產品,指標全部合格還不夠,必須優中選優。

金志強介紹,例如此次任務所用低溫發動機,就是從同時裝配的4台發動機中,選出了性能更優的2台。

在產品交付前的檢測、試驗過程中,研制團隊同樣用上了“探月標準”。

長三乙遙三十火箭總設計師陳閩慷說,例如火箭貯箱,其液壓試驗、氣密試驗、氦質譜檢漏測試時間均比以往增加了30%,以盡可能尋找產品可能存在的缺陷。

在電氣系統產品試驗中,所有電氣產品的通電老煉時間都增加50個小時。在單機產品嚴格考核基礎上,還增加了系統綜合試驗次數。

發射機會轉瞬即逝?多重保障

發射月球探測器需要滿足多方面條件要求,因而“嫦娥四號”必須在特定的2天內發射,每天有2個發射窗口。第一個窗口的有效寬度為2分鐘,如果錯過,要等46分鐘後進入第二個窗口,其有效寬度僅1分鐘。

為了確保火箭準時發射,研制團隊采用了適應多窗口、窄窗口約束的軌道設計技術,對火箭主要分系統和重要單機進行了可靠性設計、采取了冗余改進措施。

為了充分利用2天內多窗口的發射機會,他們還開展了“低溫加注後推遲24小時發射”技術創新。在火箭完成液氫、液氧低溫推進劑加注後,保持連接器不脫落,就可以推遲24小時發射。“這在國內尚屬首次,在一定程度上提高了火箭對任務的適應能力。”陳閩慷說。

不過這些技術並沒有用上。與此前四次探月任務一樣,火箭在第一窗口準時飛向了天空。

除了準時發射,要想讓探測器順利飛向月球,火箭運送其進入地月轉移軌道的精度也需滿足極高要求。研制團隊采用激光慣組優選、濾波組合算法優化等手段,使此次任務的設計入軌精度進一步提升,相比嫦娥三號任務提升了30%以上。

相關知識

什麼是運載火箭發射窗口?為什麼“嫦娥四號”發射窗口只有幾分鐘?

中國航天科技集團有限公司一院一部錢航︰發射窗口指運載火箭發射比較合適的時間範圍,是根據航天器本身的要求及外部多種限制條件,經綜合分析計算後確定的。時間範圍的大小也叫發射窗口的寬度。窗口寬度有寬有窄,寬的以小時甚至以天計算,窄的只有幾十秒,甚至為零。

選擇“嫦娥四號”發射窗口時,需要考慮很多約束條件,使得探測器與日、地(包括地面點和近地軌道)、月(包括著月點)的相對關系滿足月背著陸需求。

例如,奔月軌道需要調整近月點經度和飛行時間,讓環月軌道臨近著月點上空,為著陸器登月創造條件。在探測器奔月飛行過程中,要考慮太陽能帆板的受曬問題,要求太陽光入射方向與太陽帆板之間的夾角保持在一定範圍內。

此外在飛行和著陸過程中,還要考慮探測器的連續測控問題。諸多約束條件的作用並不相同,有些決定發射月窗口,有些決定發射日窗口,還有一些約束可能形成對立關系。發射窗口就是在這些約束作用下,形成的發射機會的交集。“嫦娥四號”要在月背著陸,各種約束關系特別復雜,因此發射窗口只有幾分鐘。

(文中圖片由作者提供)

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