论干货:“嫦娥”登月关键技术详解[观察家 第77期]

沉思的奥勒留 收藏 85 18812
导读:中国探月工程“嫦娥三号”已成功在月球实施软着陆,这不仅获得了世界的齐声赞誉,也同时证明中国完全掌握了深空探月的关键技术,其中包括地球转移轨道直接发射技术、100公里高度近月制动的月球轨道捕获技术、和降落相机技术,等,我们就来一一讨论一下。 首先来看看地球转移轨道直接发射技术。先解释其原始含义:地球同步转移轨道是指近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度(36000公里)的椭圆轨道。这种轨道是作为地球同步轨道或地球静止轨道的转移轨道。在发射地球同步卫星时,首先使卫星进入这种椭圆轨道

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中国探月工程“嫦娥三号”已成功在月球实施软着陆,这不仅获得了世界的齐声赞誉,也同时证明中国完全掌握了深空探月的关键技术,其中包括地球转移轨道直接发射技术、100公里高度近月制动的月球轨道捕获技术、和降落相机技术,等,我们就来一一讨论一下。

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首先来看看地球转移轨道直接发射技术。先解释其原始含义:地球同步转移轨道是指近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度(36000公里)的椭圆轨道。这种轨道是作为地球同步轨道或地球静止轨道的转移轨道。在发射地球同步卫星时,首先使卫星进入这种椭圆轨道,然后在远地点点燃星上变轨发动机,使其变为所需的目标轨道。

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当年“嫦娥一号”计划时是先发射到地球附近的过渡轨道,再经过自身多次调整进入奔月轨道,整个奔月历时13天,而到“嫦娥二号”时就减少到了5天。奔月时间大幅缩短靠的就是地球转移轨道直接发射技术。在上世纪90年代重返月球热潮中,专家提出了一种新的方法,在发射地球同步转移轨道(GTO)基础上,在近地点作一次轨道机动,使远地点达到月球,从而成为地月转移轨道。GTO轨道的近地点高度约200千米(速度10.239千米/秒),远地点高度约36000千米,要把它变成地月转移轨道,只需在近地点提供0.677千米/秒的速度增量。

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当年我国的火箭运行轨道均为近地轨道、太阳同步轨道以及地球同步转移轨道。包括用长三甲火箭发射的嫦娥一号,其轨道实际上是一个超地球同步转移轨道,星箭分离以后嫦娥一号绕着地球转了好几圈,然后再奔月。现在“嫦娥”将由运载火箭直接送入近地点200公里、远地点约38万公里的奔月轨道,大大节省了时间,当然对火箭发动机技术有更高的要求。

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再来看看100公里高度近月制动的月球轨道捕获技术。其实所谓的“捕获”就是在嫦娥三号探测器将到达月球附近时,北京航天指挥控制中心会对嫦娥三号探测器实施近月制动,也就是完成一次“太空刹车”动作,探测器如果顺利被月球捕获,就将顺利进入100公里×100公里的环月圆轨道,真正关键的还是近月制动。

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“近月制动”就是当卫星或探测器飞行到月球附近时,它相对月球的速度要大于月球2.38公里/秒的逃逸速度,如果不减速,卫星或探测器将飞离月球。因此,要实现绕月飞行,必须进行制动,要刹一下车,将飞行速度降低到月球逃逸速度以内,从而被月球引力捕获。近月制动是卫星或探测器飞行过程中最关键的一次轨道控制

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嫦娥三号的近月制动方式与嫦娥一号、二号不同,采用变推力的7500N发动机,只一次点火就实现环月圆轨道飞行,而嫦娥一号、二号都使用490N发动机通过点火制动才分步实现环月圆轨道飞行。而近月制动的难点就是精准,因为控制量、制动量如果小了,探测器与月球擦肩而过就飞离了月球了,就不能形成这么一个环月轨道,也就不能被月球捕获。如果这个制动量过大,探测器就会与月球相撞,也不会形成环月轨道。

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第三点是降落相机技术。这个技术在“嫦娥二号”上也曾使用过,降落相机将用于获取月球表面图像,相机具备清晰拍摄与快速拍摄两种工作模式。总体方案设计上,采用了CMOS图像传感器,它是整个相机的核心元器件,具备集成度高、功耗低等诸多优点。为减少传速率压力,相机对图像数据进行了压缩,实现了先进的全色/彩色图像压缩算法,复杂图像经8:1压缩后的峰值信噪比能达到40dB以上。

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并且为验证阳光直接照射进视场内对CMOS图像传感器有无影响,在地面进行了激光照射试验,还对其进行了各种抗辐照试验,确保CMOS图像传感器满足在轨使用要求。此次“嫦娥三号”的相机降落时会工作几分钟,拍摄几十幅图像。这台相机采用光学、结构、电子学系统和温控一体化设计。正常成像距离是4米到正无穷,有效像元数量1024×1024,帧频为每秒大于等于10帧。

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关于7500牛变推力发动机笔者没有找到数据资料,有“货”的朋友可以在下面补充。关于“嫦娥三号”的自主导航控制和月面生存热控系统,最近已经有海量的篇幅的报道了,我在这里最后再讨论下着陆缓冲系统里的机械腿,这个很有技术含却容易被忽视的问题。

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月球上没有大气,无法使用降落伞,为了承受着陆时的巨大冲击,嫦娥三号使用了新型“减震器”。与汽车、飞机上的减震器不同,这种月球探测器上的“减震器”,一方面要有足够的强度,另一方面还要具备吸收巨大能量的能力,而这不是一般的减震材料能够消化得了的。为此,中国探月工程选择了位于合肥科学岛上的固体所来承担这项艰巨的任务。

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这种新型金属与普通钢不一样,塑性非常好,有着强大的变形能力,通过类似于弹簧一样的“变形”,可以将能量消释掉。嫦娥三号必须在月球实现软着陆,这将通过发动机反推并调节推力来实现。探测器主要靠两个设备进行缓冲,首先就是四只脚,能够抵御纵向冲击。又因为月球表面不平整,落地时还会产生横向冲击,这就需要连在四只脚上的拉杆来抵御。这种横向拉杆,就是用固体所研制的新型金属制作的。

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本文内容于 2013/12/16 17:00:49 被沉思的奥勒留编辑

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9楼 qdlai228
唯一感到遗憾的是,照片传输速度很慢啊,一张分辨率并不是特别高的彩色照片下传时间20多秒,可见通讯系统带宽不足,按这个带宽,可能难以实现实时动态画面传输,也就是说想看到实况电视转播那还不成,当然用于传输指令是够了。

这个缺陷也导致了月球车的行动能力,如果导航相机的数据不能实时传递,那么月球车就只能一次做短促移动,然后停下来等导航相机数据传输,地面指挥站分析照片后再给指令。

不过考虑到载人登月时间并不是太紧迫,按计划2017年才会进行无人登陆器月球采样并返回的试验,这个计划成功后才会做载人登月,相信通讯问题到时候早已解决了。

,美帝当年69年可以登月,并且进行电视直播,我想兔子的技术再差,以几十年的电子技术的代差,没可能不如69年的美帝吧?(当然,这个技术问题NASA至今没有解释,可能用了天顶星技术或者根本登月就是假的)。

所以你说的问题无疑再次打了NASA的脸,69年如何实现月地通讯的?凭借当年庞大无比的晶体管吗?如果40年后的现代电子技术都无法保障电讯信号的直播,当年怎么做的?51区的外星人提供的帮助吗?还有土星五号,当年可以送100吨的物体去太空,居然连图纸都不在了,对于一个国家机构来说完全无法想象。现代科技帮助下,包括老美在内居然只能发射荷载20来吨的物体……


9楼 qdlai228
唯一感到遗憾的是,照片传输速度很慢啊,一张分辨率并不是特别高的彩色照片下传时间20多秒,可见通讯系统带宽不足,按这个带宽,可能难以实现实时动态画面传输,也就是说想看到实况电视转播那还不成,当然用于传输指令是够了。

这个缺陷也导致了月球车的行动能力,如果导航相机的数据不能实时传递,那么月球车就只能一次做短促移动,然后停下来等导航相机数据传输,地面指挥站分析照片后再给指令。

不过考虑到载人登月时间并不是太紧迫,按计划2017年才会进行无人登陆器月球采样并返回的试验,这个计划成功后才会做载人登月,相信通讯问题到时候早已解决了。

11楼 dragon7763
,美帝当年69年可以登月,并且进行电视直播,我想兔子的技术再差,以几十年的电子技术的代差,没可能不如69年的美帝吧?(当然,这个技术问题NASA至今没有解释,可能用了天顶星技术或者根本登月就是假的)。

所以你说的问题无疑再次打了NASA的脸,69年如何实现月地通讯的?凭借当年庞大无比的晶体管吗?如果40年后的现代电子技术都无法保障电讯信号的直播,当年怎么做的?51区的外星人提供的帮助吗?还有土星五号,当年可以送100吨的物体去太空,居然连图纸都不在了,对于一个国家机构来说完全无法想象。现代科技帮助下,包括老美在内居然只能发射荷载20来吨的物体……

什么美国登月直播,现在可以完全证明美国登月视频是假的,不要不相信。好莱坞拍个电影我认为全球直播并不困难。

9楼 qdlai228
唯一感到遗憾的是,照片传输速度很慢啊,一张分辨率并不是特别高的彩色照片下传时间20多秒,可见通讯系统带宽不足,按这个带宽,可能难以实现实时动态画面传输,也就是说想看到实况电视转播那还不成,当然用于传输指令是够了。

这个缺陷也导致了月球车的行动能力,如果导航相机的数据不能实时传递,那么月球车就只能一次做短促移动,然后停下来等导航相机数据传输,地面指挥站分析照片后再给指令。

不过考虑到载人登月时间并不是太紧迫,按计划2017年才会进行无人登陆器月球采样并返回的试验,这个计划成功后才会做载人登月,相信通讯问题到时候早已解决了。

12楼 轩辕无能之辈
唉,人类科技退步严重啊,美国好几十年前登月时就能天地无缝无延迟通信了,现在不但美国做不到了,中国也做不到啊,可见,美国的超前科技很牛逼

肯定是人类科技在倒退,当初土星五能运载上百吨,发射成功率可以说百分百,现在反而造不出,只能用只有运载20吨还有几次失败的航天飞机,

9楼 qdlai228
唯一感到遗憾的是,照片传输速度很慢啊,一张分辨率并不是特别高的彩色照片下传时间20多秒,可见通讯系统带宽不足,按这个带宽,可能难以实现实时动态画面传输,也就是说想看到实况电视转播那还不成,当然用于传输指令是够了。

这个缺陷也导致了月球车的行动能力,如果导航相机的数据不能实时传递,那么月球车就只能一次做短促移动,然后停下来等导航相机数据传输,地面指挥站分析照片后再给指令。

不过考虑到载人登月时间并不是太紧迫,按计划2017年才会进行无人登陆器月球采样并返回的试验,这个计划成功后才会做载人登月,相信通讯问题到时候早已解决了。

11楼 dragon7763
,美帝当年69年可以登月,并且进行电视直播,我想兔子的技术再差,以几十年的电子技术的代差,没可能不如69年的美帝吧?(当然,这个技术问题NASA至今没有解释,可能用了天顶星技术或者根本登月就是假的)。

所以你说的问题无疑再次打了NASA的脸,69年如何实现月地通讯的?凭借当年庞大无比的晶体管吗?如果40年后的现代电子技术都无法保障电讯信号的直播,当年怎么做的?51区的外星人提供的帮助吗?还有土星五号,当年可以送100吨的物体去太空,居然连图纸都不在了,对于一个国家机构来说完全无法想象。现代科技帮助下,包括老美在内居然只能发射荷载20来吨的物体……

21楼 demonpark
登月阴谋论无聊吗??假象??阿波罗计划,六次登月,次次假象,你以为其他国家,包括当时的苏联都是白痴吗??你想不通用什么技术,不代表美帝没做过。要是那么容易,当年岂不是人人都登月了,笑话

33楼 dragon7763
美国人还说伊拉克有大规模杀伤武器呢,作为一个国家,为了当时与苏联竞争,有谎言很奇怪吗?阿波罗如果没有任何问题,现在就不会有那么多质疑了,包括美国国内一样,你不看好莱坞那么多电影拿这个做话题?
37楼 demonpark
以苏联当年的航天技术,你以为美国能骗他6次??6次??那么苏联那么多科学家航天工作者可以去集体自杀了

美国月球探测器登月肯定是真的,人有没有到过月面很难说,持中立,按当时苏联的技术,能观测到月球上的绕月飞行器,不过能不能看到美国人登月或月球上的活动这就不好说了

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