嫦娥二號衛星

嫦娥二號衛星

嫦娥二號衛星,是中國第二顆探月衛星、第二顆人造太陽系小行星,也是中國探月工程二期的技術先導星。嫦娥二號衛星由中國空間技術研究院研製,是中國第一顆探月衛星嫦娥一號衛星的備份星,沿用東方紅三號衛星平台,造價約6億元人民幣。

嫦娥二號衛星于2010年10月1日18時59分57秒在西昌衛星發射中心由長征三號丙運載火箭成功發射升空並順利進入地月轉移軌道。

嫦娥二號完成了一系列工程與科學目標,獲得了解析度優于10米月球表面三維影像、月球物質成分分布圖等資料。2011年4月1日嫦娥二號拓展試驗展開,完成進入日地拉格朗日L2點環繞軌道進行深空探測等試驗。此後嫦娥二號飛越小行星4179(圖塔蒂斯)成功進行再拓展試驗,嫦娥二號工程隨之收官。

  • 中文名稱
    嫦娥二號探月衛星
  • 所屬國家
    中國
  • 發射時間
    2010年10月1日18時59分57秒
  • 發射地點
    西昌衛星發射中心
  • 繞月高度
    100千米
  • 飛行速度
    15千米/秒

研製歷史

嫦娥二號衛星從任務設計開始,歷經方案、初樣、正樣、發射實施等階段,僅用了兩年多時間,完成了研製與發射實施任務。2008 年,主要完成了整星方案設計,開展了頂層策劃、技術狀態清理及復核、整體規範製訂等研製工作。開展了任務軌道設計、大系統間接口協調、分系統技術規範製訂、X 波段應答機等新產品技術攻關和針對任務要求和環境變化的專項試驗工作。

在頂層策劃方面,完成了各階段、各層級技術流程、專項試驗、質量保證與風險控製等項目工作。衛星系統直接進入正樣研製階段;新研單機及技術試驗分系統經歷方案、初樣、正樣完整階段;由于大部分單機為提高性能指標方面的修改類或新研類產品,故有效載荷分系統從初樣起步。在關鍵技術攻關同時,設計、開展推進氣路及490 N 發動機延壽、近月太陽翼高溫適應性、時間延遲積分(TDI-CCD)相機速高比補償等設計與驗證方面的15 項專項試驗。

2009 年,全面推進產品研製、系統集成和試驗驗證工作。完成了單機、技術試驗和有效載荷兩個分系統的初樣研製,完成了速高比補償對測定軌精度要求、15 km 軌道飛行大系統保證等專題協調,完成全部專項試驗。完成了正樣產品研製、總裝、AIT 階段電性能測試和軟體/FPGA 落焊工作。並行開展了軌道設計、空間單粒子效應防護等質量復查和復核復算,補充了"軌道設計、飛行程式、虹灣成像、監視相機/紫外成像"等技術專題研究與協調。于2009 年8 月通過正樣設計評審。2010 年,研製隊伍完成了EMC、力學、熱真空等大型試驗,在衛星系統自身得到了全面、充分驗證的基礎上,完成了與運載對接、測控對接、大系統無線聯試等大系統對接試驗,驗證了系統間接口的正確、匹配性,于2010 年6 月完成了質量復查和出廠評審。

2010 年7 月10 日,嫦娥二號衛星進入西昌衛星發射中心。

結構系統

嫦娥二號衛星系統有整體、綜合測試分系統和結構、熱控、製導/導航與控製(GNC)、推進、供配電、資料管理、測控數傳、定向天線、技術試驗(工程載荷)、有效載荷等13 個分系統。衛星發射質量2480 kg,幹重1169 kg,攜帶166 kg 載荷(含136 kg 有效載荷和30 kg 工程載荷)。

新增性能

根據運載的發射能力,嫦娥二號衛星發射重量相比嫦娥一號增加了130 kg,燃料能夠提供約2.3 km/s 的總速度增量;在測控數傳能力方面,使用了LDPC 編碼功能,相比卷積編碼提高增益約2.5 dB;新增了工程載荷資料傳輸通道,設計了最低為23.4375kbps 的多檔碼速率,可支持距地2000 萬千米以遠的資料傳輸。在機動飛行能力方面,在基于高精度加速度計的軌道控製技術基礎上,在加速度計的測量區間、姿態控製補償、燃料量預估等方面進行設計改進,提升軌道控製精度;採用即時和延時強製卸載手段,實現姿態與軌道的耦合控製;使用自主慣性對準功能,提高了軌道控製自主性;設計新增大推力軌道維持功能,在保證可靠的前提下,提高了控製精度和自主性。此外,將推進系統工作壽命從3 個月提升到6 個月以上。

項目名稱
技術要求

衛星重量

≤2480 kg
衛星幹重≤1175 kg
工作軌道

工作軌道: 100 km×100 km

試驗軌道: 100 km×15 km

衛星壽命

6個月

結構本體尺寸

2000 mm×1720 mm×2200 mm

對月指向姿控精度

≤±1°(3σ)

對月指向姿控穩定度

≤0.005°/s

推進方式

雙組元統一推進系統

供電輸出功率

1466 W(末期, 45°入射角)

測控體製

USB+VLBI

遙測碼速率

512 bps/1024 bps(編碼後)

遙控碼速率

125 bps

編碼方式

卷積編碼/LDPC 編碼

數傳調製方式

BPSK

數傳碼速率6 Mbps(3 Mbps, 1.5 Mbps, 750 kbps, 試驗12 Mbps)

搭載設備

嫦娥二號技術試驗分系統主要完成X 頻段深空應答機、輕小型化CMOS 相機等新技術在軌驗證。其中,X 頻段星載測控子系統,主要用于完成面向深空套用的X頻段測控體製驗證。核心產品為X 頻段高靈敏度數位化測控應答機。採用綜合電子技術,新研製了資料處理單元,主要完成新增設備的配電、遙測遙控、資料存儲、復接控製等功能,並在軌驗證電子設備集成化技術。影片子系統研製了多台輕小型相機,用于飛行過程中關鍵事件的監視成像。

項目名稱
技術要求

X應答機載波捕獲門限

-125 dBm(5kHz/s 掃描, ±115 kHz 範圍內)

-140 dBm(20Hz/s 掃描, ±50 kHz 範圍內)

X 頻段測控遙控碼速率1000 bps/125 bps/7.8125 bps

X應答機遙測碼速率

512 bps(編碼後)

X 應答機遙測信道編碼

卷積碼

數傳碼速率

6 Mbps(3 Mbps, 1.5 Mbps, 750 kbps, 23.4375 kbps)

監視相機指標

彩色; 解析度1024×1024; 幀頻5 fps;

成像距離: 1m~∞

有效載荷

註:衛星有效載荷就是直接執行特定衛星任務的儀器、設備或分系統。

嫦娥二號衛星共配置了5 類7 台(套)科學探測儀器。使用了解析度高的CCD立體相機;提高了雷射高度計的空間解析度和資料更新頻率。增加定標源、更換探測晶體,提高了γ/X 射線譜儀的探測精度,擴展探測種類。

嫦娥二號攜帶的科學儀器嫦娥二號攜帶的科學儀器
項目名稱
技術要求

有效載荷重量

≤140 kg

有效載荷功耗≤200 W

CCD 立體相機成像方式

單物鏡成像, 線陣推掃

CCD 相機月表解析度

優于10 m(100 km×100 km)

優于1.5 m(100 km×15 km)

雷射高度計測距解析度

1 m

γ 射線譜儀儀器能量解析度

4%@662 keV

X 射線譜儀低能探測器能量解析度

≤300 [email protected] keV

X射線譜儀高能探測器能量解析度

≤10%@59.5 keV

微波探測儀探測頻率

分別為3.0 GHz, 7.8 GHz, 19.35 GHz, 37 GHz

微波探測儀頻寬分別大于100 MHz, 200 MHz, 500 MHz, 500 MHz

工作歷程

發射準備

為準備嫦娥二號發射,西昌衛星發射中心進行了百餘項技術改進。發射場系統對上百項相關設備設施進行了改造,包括更新測量雷達、更新遙測系統、改造光學儀器、最佳化加註系統等。

2010年9月25日,嫦娥二號探月衛星完成第三次合成演練。

2010年9月28日,嫦娥二號衛星和運載火箭進行了發射前最後一次總檢查。

2010年9月28日,西昌衛星發射中心全面戒嚴。

2010年9月29日下午,嫦娥二號進行最後一次模擬發射合成演練。

發射階段

時間(2010年10月1日)飛行時間事件
11時正式進入發射程式,舉行最後一次氣象"大會商"
13時30分-5.5時氣象報告出爐,開始低溫為火箭加註液氫
17時
進入射前系統,地面開始給系統加電
18時20分-40分2號塔架回轉平台從上而下逐級展開
18時45分-15分最後一批勤務人員離開2號發射塔架
18時58分27秒-93秒火箭從地面供電轉為系統內部電池供電
18時58分57秒-63秒倒計時60秒,準備點火發射
18時59分57秒-3秒點火
19時0分0秒0秒起飛
19時2分7秒+127.4992秒助推器分離
19時2分23秒+143.4972秒一二級分離
19時4分15秒+255.4117秒拋掉整流罩
19時5分24秒+324.7087秒二三級分離


三級一次關機


三級二次點火


三級二次關機


末速修正關機
19時25分33秒+1533秒星箭分離
19時55分許
發射場區指揮部指揮長李尚福宣布發射成功

此次發射的長征三號丙火箭整流罩殘骸在2010年10月1日19時11分墜落在江西省吉安市遂川縣境內的2個自然村

整流罩墜落在江西遂川整流罩墜落在江西遂川

預定任務階段

地月轉移

2010年10月2日12 時25 分,嫦娥二號順利實施了第一次中途修正控製,採用490 N 大推力,開機時長70 s,速度增量16 m/s。控製結果準確,滿足衛星進入月球使命軌道入口點要求,取消了預定的後兩次中途修正。

2010年10月2日凌晨3點39分左右,嫦娥二號完成第一次地月成像

嫦娥二號驗證了直接地月轉移軌道設計與飛行技術,轉移時間由12 天縮短為5 天。在嫦娥一號的基礎上,設計改進得到驗證:控製精度提高,控製自主能力增強,共節省推進劑207 kg。首次成功驗證了紫外導航、CMOS 影片小相機成像等先進技術。首次獲取了完整的地月空間環境探測資料。

月球捕獲

2010年10月6日上午11時06分35秒,北京航天城飛行控製中心發出第一次製動指令,1942秒後,嫦娥二號被月球捕獲,進入環月軌道成功實施第一次近月製動,進入周期約12小時的橢圓環月軌道。

2010 年10 月6~9 日,嫦娥二號衛星共實施了3 次近月製動和1 次軌道平面機動,控後衛星準確進入半長軸約1840 km、高度約100 km、周期118 min 的極月圓軌道。首次驗證100 km 月球軌道捕獲技術;基于工程可靠實施而專門設計軌道平面機動,為一個月內實施近月15 km 軌道機動奠定了基礎。

環月探測

嫦娥二號衛星在環月飛行階段初期實施月球背面降軌控製並獲取虹灣區高解析度圖像,完成了既定的各項技術試驗驗證。于2010 年11 月2 日轉入長期運行管理階段。在環月150天期間,共實施2 次飛行姿態轉換、3 次軌道維持以及月食控製。按照科學計畫開展各項科學探測任務,重點完成了全月面高精度成像。

拓展試驗階段

月球軌道深化探測

2011 年4 月14 和15 日, 實施調整軌道傾角控製,用490 N 發動機,將傾角從92°調整到90°, 消耗推進劑35 kg。在2011 年4 月25 日開始的正飛期內,重點補拍月球南北兩極圖像,將月球立體影像覆蓋率從99.6%提高至100%。

2011 年5 月20 日, 再次降軌,獲取更多虹灣區域1 m 級高解析度圖像,不同前次,此次用490 N發動機完成補充驗證性控製,消耗推進劑26 kg。

日地拉格朗日L2點探測

在國際上首次實現了從月球軌道飛往日地L2點的轉移和試驗方案。具體實施過程如下:

2011 年6 月8~9 日,經過2 次精確加速後飛離月球,飛往日-地拉格朗日L2 點。

2011 年8 月,成功到達日-地拉格朗日L2 點,開始進行載荷科學探測。

2012 年4 月,圓滿完成在L2 點一個完整擬周期的飛行探測。嫦娥二號成功繞飛日-地L2 點,驗證了深空軌道設計與飛行控製、150 萬千米的遠距離測控通信等技術,驗證了L2 軌道保持特徵,並在日-地L2 點開展了10 個月的科學探測,填補了中國對地球遠磁尾區域的離子能譜、太陽耀斑爆發和宇宙伽瑪爆的科學探測的空白。

工程收官之後

2012年12月15日,嫦娥二號衛星飛離日地拉格朗日L2點195天後,飛抵距地球約700萬公裏遠的深空,與圖塔蒂斯小行星由遠及近擦身而過,至此,嫦娥二號再拓展試驗成功,嫦娥二號工程收官。

2013 年1 月5 日23 時46 分嫦娥二號突破距地球1000 萬千米。

2013年2月28日10時18分,嫦娥二號衛星與地球間距離成功突破2000萬公裏。

2013年7月14日1時許,嫦娥二號突破距離地球5000萬公裏。

2013年11月26日,嫦娥二號突破距離地球6100萬公裏。

2014年年中,嫦娥二號突破距離地球1億公裏的深空。

嫦娥二號衛星狀態良好,將不斷重新整理距地飛行高度,考核衛星的壽命及自主控製與管理能力,並協同我國深空測控站開展行星際測控通信試驗。

工程解密

從"嫦娥二號"衛星發射升空開始,有三個中心的名稱就會不斷地出現在媒體上,這三個中心分別是"西昌衛星發射中心"、"北京航天飛行控製中心"和"西安衛星測控中心"。

西昌衛星發射中心主要擔負著發射時對長征三號丙運載火箭的測控任務,接收記錄北京中心轉發的衛星遙測資料並提供給衛星系統。同時承擔著發射段的安控重任,位于航區的測控系統即時提供火箭在初始段的實況信息,準確判斷運載火箭飛行狀態,在發生故障、情況危急時立即正確分析情況即刻做出相應決策,同時必須避免錯判、誤判和漏判等動作,以保證發射段火箭與衛星的絕對安全。

北京航天飛行控製中心是嫦娥二號任務全過程的指揮控製神經中樞,是所有測控信息的集散地。它擔負著任務全過程的測控重任,測控指揮部就設在這裏,便于專家們對一些重大測控事件進行分析與做出決策。針對嫦娥二號任務的106種故障預案所設定的153種故障處理對策,以及嫦娥二號衛星在奔月之路上的各種重要測控事件,無不與這個中心的指揮控製息息相關。所有測控設備接收的信息都要匯集到這個中心進行分析處理,而對衛星發出的所有指令也要通過這個中心傳送。

西安衛星測控中心從載人航天任務起開始作為北京航天飛行控製中心的軌道計算備份中心,在嫦娥任務中也是這樣。但除備份中心的身份外,嫦娥任務中給西安衛星測控中心賦予了確定衛星初始軌道的任務,初始軌道根數確定之後,才意味著發射的成功。而且,位于各個測控站點的測控設備上的信息有許多不能直接傳送到北京中心,必須先傳到西安衛星測控中心之後再匯集到北京中心。同時西安衛星測控中心一個極其重要的任務,是作為各個測控站的網管中心,負責各測控站任務的分配、測控站使用管理及調度。

突破創新

(1) 設計並驗證了後續著陸任務中動力下降前的所有軌道與機動飛行控製技術,直接進入地月轉移軌道、首次使用X頻段測控、對嫦娥三號著陸區進行高解析度成像。

(2) 針對月球不均勻重力場及高起伏地形環境,突破月球擬凍結軌道設計、衛星自主慣性對準、機動軌道拼接等關鍵技術,首次成功實現100 km 圓軌道和100 km×15 km 軌道飛行,首次實現在月球背面無測控條件下主發動機點火變軌。衛星軌道控製精度最高達到0.02%。

(3) 在國際月球探測中,首次採用時間延時積分(TDI)成像技術,設計了由地面行頻資料註入和測高資料輔助兩種速高比補償成像方法,獲得了7 m 解析度的全月球立體影像;獲得了1.3 m 解析度的局部影像,達到國際先進水準。

(4) 創新研製首台基于統一載波體製的X 頻段高靈敏度數位化測控應答機,實現了深空探測領域星載測控技術的多項突破。在軌試驗驗證了X 頻段深空測控體製和技術。突破了差分單向測距(DOR)幹涉測量、X 頻段數位化應答機和地面S/X 雙頻段測控設備研製等關鍵技術,測速精度達到1 mm/s、測距精度達到1 m,實現了7.8125 bps 極低碼速率遙控

(5)突破微小型智慧型化設計技術,首次實現了地月空間飛行過程監視成像。首次即時獲取了太陽翼展開、天線展開/轉動、主發動機點火等關鍵環節的動態圖像,為後續重要飛行事件提供了可視化手段。

(6)首次在航天工程中于空間段套用了LDPC編解碼,編碼增益和效率等主要指標優于國際(CCSDS)標準,提高了中國在國際深空信道編解碼領域的地位和話語權。

(7)首次在軌驗證了推進系統高壓氣路長壽命技術,為高強度(時間跨度半年以上,次數10 次以上)軌道機動及後續L2 點、小行星探測試驗奠定動力基礎。

(8) 首次突破探測敏感器、載荷一體化技術,利用成像敏感器完成星地大回路導航試驗。

(9) 在地月星和日地星雙三體復雜環境下,針對日、地引力平動點攝動復雜、軌道設計無解析解、測控距離遠等難點,攻克了非線性系統流形設計、低能量轉移軌道控製等技術, 實現了從月球軌道飛赴L2點的軌道設計、飛行控製和遠距離測控通信。在國際上首次實現從月球軌道飛赴日-地拉格朗日L2 點探測。開展了對地球遠磁尾離子能譜、太陽耀斑爆發和宇宙伽馬爆的科學探測。使我國成為繼美、歐之後第3 個實現L2 點開展空間探測的國家。

(10)突破距地1000 萬千米遠的深空軌道和測控通信技術,首次實現行星際飛行。基于能量、距離和時間及目標物理特徵等強約束,提出潛在小行星目標選取策略,在國際上首次設計並實現了逼近飛越探測方式及基于高速交會漸遠點凝視成像技術。國際上首次成功逼近飛越4179 圖塔蒂斯小行星並獲取3 m解析度光學彩色圖像。

(11) 創新利用拉格朗日點伴地繞日特徵,在衛星推進劑、星地通訊距離、地面大天線進度等約束條件下,國際上首次實現從拉格朗日點轉移飛越小天體。

(12) 通過創新設計、全面驗證、精心實施, 充分利用衛星剩餘資源,發揮衛星潛能,從月球到L2 再到圖塔蒂斯,實現了具有國際特色和水準的多目標多任務探測,取得了"好、快、省"的突出實效。

(13)通過對以往研究成果的轉化、套用,開展國內外多站專項觀測,實現了目標小行星定軌和預報,精度達到國際先進水準。

科學成果

嫦娥二號攜帶了CCD 立體相機、伽瑪譜儀、太陽風離子探測器、高能粒子探測器等7 種科學載荷,獲取了高解析度全月球影像、虹灣地區局部影像以及地月空間等約6 TB 原始資料,按照中國探月工程科學資料發布政策,已分級發布給包括港澳在內的中國相關高校和科研院所,將帶動中國月球和空間科學的深化研究科學資料的分析研究。現已取得了空間解析度7 m 的全月球圖像、多種元素月面分布圖等多項重要科學成果。科學資料的分析研究是個長期的過程,經過一段時間的研究,基于嫦娥二號獲取的資料,科學家們會進一步深化對月球科學及空間科學的認識和理解,為解答月球和太陽系起源等科學問題,得到更多的創新成果。

發射軼事

《新聞聯播》調整報道形式

中國《新聞聯播》打破常規,在國慶節當天採用"畫中畫"模式在節目開始直播"嫦娥二號"衛星發射。

10月1日新聞聯播影片截圖10月1日新聞聯播影片截圖

中央電視台新聞頻道在直播嫦娥二號發射實況過程中,當指揮員宣布"點火"並按下點火按鈕兩、三秒後。按原定時間表播放報時信號及《新聞聯播》,但卻採用"畫中畫"(螢幕右下角)模式在節目開始直播嫦娥二號衛星發射,為開播以來第一次以此方式現場直播,至《新聞聯播》片頭結束後始恢復正常。其後在19時25分05秒至27分11秒,《新聞聯播》再次現場直播了"嫦娥二號"星箭分離的實況。

疑助推器飛越台上空引發騷動

在嫦娥二號發射後的晚上七點左右,在台灣台北縣、宜蘭、花蓮、台東太麻裏有大批民眾目睹一個"紅色的燃燒狀球體,像倒立的香菇"拖著藍色的尾巴由北往南飛越天空,過程約五至十秒;而嫦娥二號發射過程中,也經台灣海峽往東飛越北台灣上空,由于不像火流星的跡象,故初步研判為搭載之長征三號丙火箭的推進器掉進大氣層時飛越台灣上空,但當初台灣媒體關註于2010年9月30日發生的水沙連高速公路北山交流道鷹架崩塌意外,在這之前亦沒有多加報道嫦娥二號發射訊息,導致當時眾人誤以為是飛機爆炸墜機,引發不小的騷動。

整流罩掉落幾公裏內有震感

2010年10月1日晚19時11分許,嫦娥二號衛星整流罩分別墜落在江西遂川縣茶鄉湯湖鎮的南屏、橫圳兩個村,一處距湯湖鎮政府以北南屏村1公裏處的農田裏,農田砸出了一個大坑,坑深達1.5米;另一處距鎮政府橫圳7公裏處,當地人武部門趕赴現場處置。整流罩墜落時傳來前後兩聲"砰"聲巨響,周圍幾公裏有比較強烈的震感,當地民眾按照傳來聲響的方向找過去,分別發現兩塊整流罩,並立即報告鎮政府。

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