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标  题: 详解嫦娥1号探月卫星研制过程神秘面纱 
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jun 22 18:41:33 2005), 站内

2005年06月22日 13:35 
 
　　中新网6月22日电 中国第一颗探月卫星嫦娥1号目前正按计划进行研制。卫星
各关键技术已获得突破性进展，初样星的研制工作进展顺利。它将在未来两年内用
长征3号甲运载火箭从西昌卫星发射中心发射升空。对于这次世人瞩目的探月行动
，业内权威杂志《中国航天》刊载长文，对这次浪漫新奇之旅进行了全方位的解读
。

　　科学与工程目标

　　中国探月卫星工程有四大科学目标：

　　一是获取月球表面三维立体影像，从而划分月球表面的基本地貌和构造单元，
初步编制月球地质与构造纲要图，为后续优选软着陆区提供参考依据。目前世界上
还没有覆盖整个月面的影像；中国如能获取全月面三维影像，对于更好地了解月球
的地质构造和演化历史有着重要的意义。中国将争取比国外已有的此类图像做得更
完整、更精细。

　　二是分析月面有用元素含量和物质类型的分布特点，即对月面有用元素进行探
测，初步编制各元素的月面分布图。美国已做了5种有用元素的全球性分布与含量
，嫦娥1号将探测月面钛和铁等14种可能有开发利用前景的重要元素的分布特点和
规律。

　　三是探测月壤特性。中国将首次开展月面的微波辐射探测，获取月壤厚度的全
月分布特征，研究月表年龄及演化，估算月壤中氦3的分布和资源量。目前月球上
已知矿物有100多种，其中有5种连地球上都没有。尤其是氦3。它是一种安全、高
效、清洁的新型核聚变燃料，可改变人类社会的能源结构，但在地球上十分罕见。
每100吨氦3原料足可以解决全球一年的电力供应，而月球上的氦3储量据估算有
500万吨，可满足人类1万年以上的供电需求。每克黄金价值11美元，而每克氦3是
400美元。月球潜在矿产资源和能源的开发利用前景，已成为各主要航天国家组织
重返月球和开展月球探测的最主要动力。

　　四是探测地月空间环境，将记录原始太阳风数据，研究太阳活动对地月空间环
境的影响。

　　上述前三项工作国外还未曾进行过，第四项为中国首次在地球静止轨道以外获
取空间环境数据。

　　中国探月卫星工程还有五大工程目标：一是研制和发射中国第一颗探月卫星；
二是初步掌握绕月探测基本技术；三是首次开展月球科学探测；四是初步构建月球
探测航天工程系统；五是为月球探测后续工程积累经验。为此要突破月球探测卫星
的关键技术；初步建立中国的深空探测工程大系统；验证有效载荷和数据解译等各
项关键技术；初步建立中国深空探测技术研制体系；培养相应的人才队伍。

　　工程计划表

　　据透露，嫦娥1号工程于2004年9月以前完成工程总体和各系统的详细方案设计
；2005年底完成探月卫星初样产品研制和相关试验；2006年10月前完成探月卫星正
样产品的设计、研制、总装、测试和各项试验，完成运载火箭正样投产任务，完成
测控和发射场系统技术改造和调试任务，完成地面应用系统组装和调试任务；力争
2006年12月发射升空。

　　嫦娥1号卫星方案具有较好的继承性，设计的功能和技术性能指标满足任务要
求；卫星总体与各分系统之间、卫星与各大系统之间接口要求明确，大型试验项目
安排及试验方案合理可行；研制技术流程完整，计划流程合理可行；卫星进行了可
靠性和安全性设计，可靠性关键项目明确，测试覆盖性分析的项目完整，因此已转
入初样阶段的研制工作。

　　嫦娥1号卫星按方案完成初样试制后，将进入初样试验阶段。初样产品将对设
计、工艺和方案进行实态验证，进一步完善方案，为飞行试验产品研制提供全面、
准确的依据，为发射星奠定技术基础。

　　在工程的具体实施上，嫦娥1号工程系统由月球探测卫星、运载火箭、发射场
、测控和地面应用等五大系统组成。

　　日趋稳定的平台

　　众所周知，人造卫星由卫星平台与有效载荷两部分组成。嫦娥1号也不例外。


　　该探月卫星的平台以中国已成熟的东方红3号卫星平台为基础进行研制，并充
分继承中国资源2号卫星和“中巴地球资源卫星”等的现有成熟技术和产品，进行
适应性改造。所谓适应性改造就是在继承基础上的创新，包括突破一批关键技术，
例如三维定向技术，即使卫星的太阳能电池板、探测头和传输信息的天线分别时刻
对准太阳、月亮和地球。这样一个三维控制系统过去是没有的，技术难度相当高。
另外，在地球、月球和卫星三者间进行探月卫星的轨道设计和紫外月平仪的研制等
也都需要开展技术攻关。

　　选用东方红3号卫星平台主要是由于它的高度可靠性。自该卫星平台1997年5月
首次投入使用后，中国已用其研制并发射了“北斗”等至少6颗卫星。该卫星平台
采用了许多较先进的技术，如全三轴稳定、统一双组元液体推进、公用平台设计、
大面积密栅太阳电池阵和高强度轻重量碳纤维多层复合材料等。不过，嫦娥1号的
卫星平台比一般人造地球卫星在轨道，测控，制导、导航与控制系统和热控分系统
等方面都有自己的独特之处。

　　目前，中国航天器所到达的距地球最远距离约为7万千米(2003年12月30日发射
的探测1号卫星)。而要实现月球探测，须使航天器飞出地球引力场，进入到38万千
米远的空间。由于月球以及月球与地球、太阳的相对关系具有其固有的特点，因此
嫦娥1号卫星与一般的地球卫星有很大不同，研制并发射月球探测卫星要解决轨道
设计，制导、导航与控制(包括对月姿态确定技术)，测控与数据传输，星上热控和
电源分系统设计等关键技术问题。

　　预计卫星总重2350千克，本体尺寸2000毫米×1720毫米×2200毫米，采用三轴
稳定姿态控制，对月定向工作。卫星在轨运行寿命大于1年。

　　任务决定载荷

　　根据中国探月卫星工程的四大科学目标，嫦娥1号选用的有效载荷有6套24件，
包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、伽马/X射线谱仪、微波探测仪和太
阳风粒子探测器等。其中CCD立体相机是拍摄全月面三维影像的专用相机，在中国
属首次使用；成像光谱仪用于获取月面光波图谱；伽马/X射线谱仪用于探测月球表
面元素；微波探测仪除用于获取月壤厚度信息外，还能给出月球背面的亮度温度图
和月球两极地面的信息。

　　由激光器、望远镜和接收电路三部分组成的激光高度计，由中科院上海技术物
理研究所研制。它在探月卫星的发射阶段和转移阶段都处在“睡眠状态”。卫星进
入环月轨道后，激光高度计首先向月面发射激光束，并立刻用望远镜把反射回来的
光束变成电信号；接着，接收电路盒将迅速进行精确计算，用最短时间得出该探测
点的月球海拔高度。激光高度计完成绕月旅行，月面每个探测点的海拔高度就一清
二楚了。这些数值一旦与CCD立体相机拍摄的平面图像相叠加，就是一幅完整而精
确的月面三维地形图。只要激光高度计发射的探测点足够密，就能获得覆盖整个月
球的地形图，包括人类探月活动从未涉及的月球两极区域。

　　据探月专家介绍，美国、欧空局、俄罗斯和日本等以前从未在探月过程中使用
过可以全天候、全天时工作和具有一定穿透能力的微波遥感技术，所以嫦娥1号上
的微波探测仪是世界上首次在探月卫星上装载微波遥感装置，用以实现对月面更为
细致深入的探测，并将对所发回的数据进行反演和解析。不过，由于月球远离地球
，对月球进行微波遥感探测有很大的技术难度和一定的风险。为确保探测成功和能
稳定地发回数据，现正加强对月球微波遥感的地面仿真研究，在借鉴以往经验的基
础上做相应的技术改进。

　　嫦娥1号有效载荷共重130千克。早在2004年1月7日，所有24件仪器就完成了首
轮联合测试，结果相当成功。测试表明，探测仪器设计中的一些关键技术问题已基
本攻克，并解决了设备间的接口技术。全部探测仪器于2004年9月交付，并与卫星
平台一起进行噪声、振动、辐射和真空等各种空间环境的模拟测试。

　　使用成熟的火箭

　　按照计划，长征3号甲被选为月球探测卫星的运载火箭，发射场选在西昌卫星
发射中心，但要进行必要的适应性改造。

　　根据设计，嫦娥1号的运行轨道近地点为200千米，远地点为51000千米，属于
大椭圆轨道。火箭必须精确地将探测器送入预定轨道，才能准确完成预定探测任务
。为满足探月卫星的特殊要求，长征3号甲火箭控制系统增加了单机和线路备份，
确保飞行过程中不出现任何偏差，万无一失。

　　选择长征3号甲主要考虑到它是长征系列火箭家族中发射成功率最高的成员之
一。该火箭拥有更灵活而先进的控制系统，可在星箭分离前对有效载荷进行大姿态
调姿定向，并提供可调整的卫星起旋速率，具有很强的适应性。它主要用于发射地
球同步轨道有效载荷，同时兼顾低轨道和太阳同步轨道等其它轨道有效载荷的发射
，也可进行一箭双星或多星发射。

　　目前执行发射任务的长征3号甲火箭已进入试样研制阶段，部分组件和箭体已
开始投产。但由于月球探测器尚处于初样设计阶段，今后研制人员还将根随着探测
器研制的深入，逐步对火箭设计进行适应性修改，预计将于两年后出厂。

　　嫦娥1号发射时间的选择要考虑到光照、太阳入射角、测控条件和轨道限制等
因素。发射后，卫星将用8～9天时间完成调相轨道段、地-月转移轨道段和环月轨
道段飞行。在经过发射、飞行和进入预定轨道等程序后，如何将探测数据传回地面
，是工程的技术难题。

　　嫦娥1号工程副总设计师龙乐豪说，通俗一点讲，该工程有三大目标，即“到
得了”、“转得起”和“传得到”。嫦娥1号从起飞到进入目标轨道将多次经过中
国上空。如地理位置和天气条件允许，人们有可能用肉眼观测到现代“嫦娥奔月”
的情景。


　　测控和应用系统

　　由于旅途遥远，所以测控系统尤为重要。测控系统将以中国现有的S频段航天
测控网为主，辅以甚长基线干涉仪天文测量系统组成，并进行必要的适应性改造。


　　嫦娥1号卫星不仅需要对月球进行全天候的观测，还需要把太阳能电池板始终
对准太阳，同时又要把传送天线对准地球。目前，中国在上海佘山和乌鲁木齐分别
拥有一个直径25米的天线，但它们只能有4～6小时可用来接收星上信息。为了嫦娥
1号计划的顺利实施，中国将分别在北京和昆明设一个直径50米(国内最大)和一个
直径40米的天线。这样在我们的国土上，可用4个天线交叉干涉，对近40万千米远
的嫦娥1号进行测控，并为应对外界干扰因素和意外因素留有应急的能量。

　　地面应用系统包括月球探测卫星运行管理中心、数据接收中心以及科学数据处
理和研究中心三个部分。

　　四大难关

　　虽然卫星和火箭采用成熟技术，但还是要攻克一些技术难点。中国航天器已到
达的距地球最远距离为7万千米，而月球距地球达38万千米。而且月球以及月球与
地球和太阳的相对关系具有其固有的特点，所以月球探测卫星与一般的地球卫星有
很大不同。

　　据权威人士介绍，研制和发射嫦娥1号探月卫星的技术难点主要有4点：

　　一是轨道设计与控制。它是实现月球探测卫星绕月飞行的基本保证。在飞往月
球轨道的过程中，月球卫星既不能碰着月球，也不能飞过去，因此轨道设计和控制
是一个新问题。必须正确认识月球卫星轨道设计的客观规律，寻找合理的工程实施
途径。

　　二是测控和数据传输。地月相距遥远，测控信号的空间衰减明显增大。同时为
实现卫星绕月飞行，需经历复杂的轨道转移过程，其间的测控任务对星上和地面测
控系统提出了更高要求。38万千米外的探测带来卫星天线怎么设计和地面站怎么设
计等问题。

　　三是制导、导航与控制。月球探测卫星从绕地飞行到准确进入绕月飞行轨道，
需经历多次复杂的轨道和姿态机动，要求控制精度高和实时性强。卫星对地观测是
两体定向，即太阳帆板对日定向，观测设备和测控通信设备对地定向，以观测和传
输信息。而绕月卫星是三体定向，即太阳帆板对日，观测设备对月，测控通信设备
对地。三体定向问题要复杂得多。

　　四是热控技术。卫星绕着月球转，月球绕着地球转，地球又带着月球和月球旁
的卫星绕着太阳转，相对关系比较复杂，从而导致绕月卫星的热变化巨大。而我们
只能给嫦娥1号穿一件“衣服”，不能换。这件“衣服”要做到热的时候不热，冷
的时候不冷，这是个难题。由于要经历复杂的热环境，热控技术必须适应复杂的外
部温度变化，以保证星上所有设备处在正常的工作温度范围。

　　不过，上述4个技术难点，在目前的中国航天技术范围内都能采取有效措施加
以解决。

　　飞行三阶段

　　为确保发射成功，中国决定采取多级推进的方式将月球探测卫星送入月球轨道
。按照方案，卫星在和运载火箭分离后，将先在地球轨道上运行3～4圈，逐步加速
到地-月转移轨道的入口速度，随后沿大椭圆轨道飞向月球。

　　具体飞行程序大致分为三个阶段：一是调相轨道段。卫星与运载火箭分离后，
通过3次近地点变轨脱离地球轨道，进入奔向月球的地-月转移轨道。二是地月转移
轨道段。卫星要在该阶段飞行5～6天，其间会进行2～3次中途修正，以确保正确进
入预定月球轨道。三是环月轨道段。当卫星到达距月球200千米位置时，开始减速
制动，通过3次近月点制动逐步降低轨道近月点，最终到达高200千米的极月圆轨道
，进入正常工作状态。从发射到进入环月工作轨道，共约约8～9天。卫星将绕月运
行1年，对月球的地质、土壤、环境和资源进行探测。目前卫星设计飞行速度为每
秒十几千米。这一速度还可进一步提高。

　　由于月地距离遥远，卫星将采用一种特殊的双自由度定向天线。


　　回顾中国探月工程

　　1994年，中国曾组织相关专家对开展月球探测的必要性和可行性进行过初步分
析与论证，认为中国已有能力开展月球探测，但由于各种原因，探月计划未能启动
。

　　当时中国已启动了载人航天工程，要在长征2E火箭的基础上发展载人航天用的
长征2F火箭，但该火箭首次发射什么载荷引起了大家的讨论。有人提出用有限的资
金发射一颗月球探测卫星，并提出一个简易的月球探测方案。但最后这个方案未能
实现，主要原因是当时对探月尚未提出一个完整的发展规划，缺乏长期和有深度的
科学探测目标，同时当时国家的经济环境刚刚好转，航天基础还不像今天这样扎实
，只能做到简单的环月飞行，对国家科技发展贡献有限。

　　从1998年开始，在著名天体化学家、中国科学院院士欧阳自远先生的倡议下，
相关研究单位和部门组织许多相关专家与研究人员对开展中国月球探测的可行性和
必要性以及科学目标进行了系统的分析与研究，先后向相关主管部门提交了《中国
月球探测发展战略研究》和《月球资源探测卫星科学目标》等论证报告。

　　2000年8月，在国防科工委的组织下，由王大珩等9位院士和总装备部、航天科
技集团、科技部、中科院和高等院校的5位专家组成评审组，对中国科学院提出的
“月球资源探测卫星的科学目标与有效载荷”进行了论证评审。

　　2001年成立了由中国科学院相关单位组成的专家研究小组，在此基础上开始了
一些关键技术(如有效载荷)的攻关和地面应用系统等的研究工作。

　　2001年10月，中国月球探测计划项目立项。2002年3月向国家提交“月球资源
探测卫星工程可行性”的立项报告。

　　2004年1月，中国月球探测一期工程正式启动，国防科工委任命了中国月球探
测工程总指挥、总师和首席科学家，各项工作进入工程实施阶段。

　　目前，嫦娥1号工程各项准备工作已进入初样研制阶段，部分系统和分系统已
研制出产品。现有的航天测控网和中国科学院天文测控网将联合为探月卫星发射和
运行提供测控服务。用来接收探月卫星发回数据的地面接收系统的基础工程建设也
基本完成，整个天线架设工作进展顺利。

　　前景展望

　　嫦娥1号工程的核心是实现从地球走向月球，充分利用中国现有的成熟航天技
术，研制和发射月球探测卫星，突破地月飞行、远距离测控通信、绕月飞行、月球
遥感与分析等技术，并建立中国月球探测航天工程的初步系统。

　　此后将在2010年前向月球发射无人探测装置，实现月面软着陆探测；在2020年
前完成采集月壤样品的工作，实现月面巡视勘察采样返回。第二和第三阶段工作已
纳入国家中长期科技发展规划，正在进行论证。

　　根据预想，未来第二期计划将用月球车对月面进行巡视勘察，并拟建立一个月
基天文站，借助月球几乎没有大气的便利条件，对太空和地球进行观测。二期计划
中采用的月球车，将采用全国招标的方式来选择。如果月球车计划能成功，那么这
套方案稍作修改，就可以用到未来的火星探测中去。

　　月球探测是众多高技术的高度综合，将带动和促进航天技术和中国基础科学等
其它高技术的发展，如大推力运载火箭、深空探测、深空测控、光电子、机器人、
人工智能、遥科学、新能源和新材料技术等。这些高技术的进步将会在国民经济和
国防建设等方面得到推广和运用，产生显著的社会和经济效益，并推进中国航天领
域的国际合作。

　　绕月探测工程总设计师、中国航天科技集团公司高级技术顾问、中国科学院院
士孙家栋认为，中国月球探测的主要目的是从科学的角度去了解月球这个离我们最
近的天体，发展航天工程技术。随着月球探测各期工程的分步实施，逐步突破绕月
探测关键技术、月球软着陆与自动巡视勘测技术和月球自动采样与地-月往返技术
，研制和发射月球探测卫星、月球软着陆器与月球车和月球采样返回器，建立并逐
步健全月球探测航天工程系统，为未来的深空探测活动奠定技术基础。随着工程的
进展，中国的航天技术将得到整体提升，实现跨越式发展。(作者：平树）
 


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