今天上午,记者再次走进发射前的西昌卫星发射中心,为即将出征的“嫦娥三姑娘”送行。西昌发射中心,坐落在西昌城北60公里的峡谷中。卫星发射测试,指挥控制,跟踪测量,通信,气象,勤务保障六大系统的相应场区,都分散在峡谷之中的不同区域。76米高的发射塔架和300多米高的避雷塔,巍峨地耸立于峡谷的底端。这里是一个三面环山,向东南开口的半封闭小盆地,面积约2平方公里。
大山深处的西昌卫星发射中心发射场,静谧而肃穆。今天上午,已经确认了嫦娥三号的状态监测,下午5点半开始加注低温燃料。这里的一切准备工作都在静悄悄地进行着,发射场一片空寂,平静之下掩藏着航天人激动的心情和焦急的渴望。
高高的发射塔巍然耸立,银白色塔体上,“中国西昌卫星发射中心”几个大字遒劲有力,一座高达97米的活动塔将发射架包裹起来,人们只能通过活动塔上方看到一截白色的整流罩,整装待“嫁”的“嫦娥三姑娘”羞涩地藏于“闺中”,静待出征。
工作人员介绍,塔架由11层工作平台和相对应的电缆提杆组成,同时对星箭进行吊装对接,加注燃料和垂直测试。下午5点半,活动塔将张开双臂,放开紧紧拥在怀里的“嫦娥三姑娘”,活动塔会坐着铁轨移动到不远处,只剩下嫦娥三号与发射塔架等待着飞天的紧张一刻。
低温推进剂加注早晚一分都不行
今天上午,西昌卫星发射中心已进入发射前工作程序。火箭常规推进剂昨天已经开始加注,预示火箭进入发射程序。今天下午,在发射前数小时,质量更轻、能量更高的低温推进剂也将被加注。
任务发射场区指挥部副指挥长赵民介绍,西昌卫星发射中心作为我国唯一使用低温推进剂的发射场,使用的低温推进剂包括液氢、液氧和液氮。加注液氮和液氧必须滴液不漏。此外,加注低温推进剂的时间不能早一分或晚一分,早一分就会造成挥发,晚一分又有可能错过发射窗口。因此,低温推进剂加注一直到发射前4分半钟才能完成。操作中既要防冻伤,又要防明火、静电等。
赵民介绍说,中心已形成了一整套防护方法,包括加强现场管理,禁止手机、打火机等进入加注现场50米范围内;研发了氢报警装置;进入加注程序后,一律使用防爆电源等。
气象预报误差不能超过一摄氏度
在嫦娥三号发射任务中,发射场气象部门主要承担两项任务:一是提供高空风探测数据,二是提供天气温度的预报。
世界航天史上,曾有过因高空风问题导致失败的案例。11月、12月的西昌处于高空风的多发期,这给嫦娥三号任务的成功发射增加了难度。中心对近40年的气候资料进行分析比对,对8000米到12000米的高空风进行精确预测,气温预报误差不超过一摄氏度。同时,火箭自身也采取了很多防止高空风的设计和措施。目前预测,发射当天天气状况良好。
“12月份,西昌的降雨雷暴较弱,影响火箭发射主要是高空风,它直接影响着火箭的飞行轨道。”西昌卫星发射中心高级工程师江晓华说。
气温是影响嫦娥三号发射的另一重要因素。“因为低温火箭的助推剂是液氢液氧,对温度有着极高的要求。”江晓华说,液氢的温度是零下253摄氏度,液氧是零下183摄氏度。随着空气温度的变化,燃料挥发程度也不同,这直接影响着加注量。如果不能准确预报场区发射时刻的温度,液氢液氧加注量的变化将影响火箭的推力。
“嫦娥三号卫星的发射‘窗口’——也就是适宜发射的时间范围只有3天,不像其他任务每天都是‘窗口’,这对气象预报的要求更高。”江晓华说。
“我们开展了区域精细化预报:逐时逐段精确预报以发射塔为中心3公里范围的气温、湿度、云量、地面风、高空风等气象情况,为探测器创造最好的奔月条件。”发射中心气象室主任汪正林说。
气象人员对场区30多年来的高空风探测资料进行了详细统计分析,建立了天气预报模型。 随着发射时间的临近,对高空风的探测次数不断增加。
“为了能准确预报发射场区发射阶段的气温,我们确定的预报温度误差标准不能超过一摄氏度。”江晓华说,发射中心拥有较为完善的雷电预警系统,可以将发射场区雨季短期预报、雷电综合预报的准确率提高到95%以上。
除了对发射场区的气候资料进行专题统计、分析研究外,他们还通过欧洲中心气象局、国家气象局和基地区域小范围预报,分析发射场区情况。
火箭发射
四大挑战
探月工程发射场系统副指挥长赵民在接受记者采访时说,嫦娥三号技术状态新、要求标准严、技术难度大,火箭发射要克服四大挑战。
低温燃料加注。长征三号乙运载火箭三级采用的是液氢、液氧推进剂。液氢的保存温度为零下253摄氏度,液氧的保存温度为零下183摄氏度,在加注时燃料不可避免地产生挥发,所以必须精确计算燃料的加注量。如果第一窗口不能发射,还涉及将液氢液氧的卸出问题,极易使火箭保温箱发生损坏,不仅会影响低温燃料的再次加注,还可能导致爆炸。
气候复杂多变。西昌属山区地形,素有“十里不同天”之称,气候变化频繁。此外,火箭低温燃料加注对温度变化要求很高,这些无疑给气象预报增加了不小的难度。
“零窗口”发射要求高。嫦娥三号任务是多窗口、窄宽度发射。12月共有3天6个窗口。发射窗口最长4分钟,最短的仅为1分钟,对发射的精准度要求很高。一旦第一个发射窗口不能发射,必须要尽快进入第二个发射窗口的工作状态。根据任务安排,第一个发射窗口与第二个发射窗口间隔仅40多分钟,所以转换难度很大,对快速确定不同参数等方面提出更高要求。
多重任务交叉重叠。发射场在执行嫦娥三号任务时,还承担了其他航天器的发射任务。这给发射中心及各系统间的组织指挥、统筹协调、质量监督和人员调配提出挑战。
火箭系统
六大改进
“嫦娥三号”任务运载火箭系统总设计师姜杰介绍,任务对火箭系统在运载能力等方面提出了更高的要求,火箭系统也实现了六大改进来应对新的挑战。
由于嫦娥三号比嫦娥二号重了1000多公斤,入轨精度提高3倍多,需要突破多项技术才能满足发射要求,因此托举嫦娥三号探测器奔月的重任交给了长征三号乙改进型火箭。这一型号的火箭长56米多,捆绑有4个助推器,起飞重量约456吨,也是目前中国运载能力最强的三级液体火箭。它的任务是将嫦娥三号送到近地点200公里,远地点约38万公里的地月转移轨道。
此次嫦娥三号任务是多窗口、窄宽度发射。“3天6个发射窗口,每个窗口的发射时间间隔非常短。”姜杰介绍,相比嫦娥二号任务,嫦娥三号任务对运载火箭系统的运载能力、入轨精度、发射窗口、适应能力等方面提出了更高的要求。
为适应任务要求,火箭系统实现了“六大改进”。不仅对火箭的运载能力、高精度导航制导能力、可靠性、适应性、多窗口发射能力等方面作了改进,火箭的箭身上还加装了一组摄像头,可以看到飞行过程中的重要分离动作。
比如,由于此次嫦娥三号探测器与此前的嫦娥一号、二号在外形结构上有较大变化,因此火箭设计了新的探测器支架,也就是火箭与探测器之间的机械连接机构,以提高火箭的适应性。“全新的支架结构可以保证在飞行过程中,探测器‘坐’在火箭上能够可靠、舒适、安全。”据了解,此次任务是自1994年首飞以来,长三甲系列的第58次发射任务,同时也是长三乙这一型号的第25次发射。
落月探测
1
嫦娥三号从距离月面15公里高度的近月点开始下降,自由降落到约100米的距离后,反冲小火箭开启,造成阻力,减速下降。
利用微波测距敏感器、激光测距敏感器等进行对月测距测速,利用光学成像敏感器等进行避障。
2
在距离更为接近月球表面时,嫦娥三号则会悬停一段时间,选择最佳着陆点。确定目标后,在距月球表面约4米高度时,发动机熄火关机,稳稳降落。
3
着陆后将释放巡视器——“玉兔号”月球车。月球车首先会被移动到转移机构上,通过转移机构离开着陆器。
“玉兔号”月球车离开着陆器,抵达月面。着陆器和“玉兔号”进入工作状态。月昼时,着陆器就地展开科学探测,“玉兔号”则在月面巡视勘察。月夜时,设备断电休眠,依靠同位素热源 4
保持温度;月夜后,通过光照自主唤醒。着陆器将在月面工作一年,“玉兔号”将巡视勘察3个月。