“嫦娥”奔月背后，是中國科學(xué)家群體的卓絕智慧
12月12日，國家主席胡錦濤向世界宣布：中國已經(jīng)進(jìn)入世界具有深空探測(cè)能力的國家行列。
“深空探測(cè)能力”包括五個(gè)方面：進(jìn)入空間能力、衛(wèi)星研制能力與應(yīng)用能力、航天基礎(chǔ)與保障能力、載人航天能力和空間探索能力。這些能力的形成，緣于我國在短短三年的時(shí)間里，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大技術(shù)突破。
隨著我國首次月球探測(cè)工程圓滿成功，一個(gè)個(gè)技術(shù)突破背后的故事也浮出水面。
數(shù)學(xué)奇才擔(dān)綱軌道設(shè)計(jì)
地球距月球有38萬公里，“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星并非人們所想象的——從地球徑直而去，也不像美國阿波羅載人登月飛行那樣，只用了3天時(shí)間，而是14天。
在國防科工委月球探測(cè)工程中心有一張地圖：藍(lán)色的背景下，左邊是地球，右邊是月球，各自周圍都有三個(gè)橢圓形的大環(huán)線。連接這兩個(gè)星球的，是一條看起來距離似乎并不長(zhǎng)的“地月轉(zhuǎn)移軌道”。這些線條就是“嫦娥”的奔月之路。
設(shè)計(jì)這條路線的，是一位出生在浙江建德的66歲軌道設(shè)計(jì)師楊維廉。
1958年，楊維廉以數(shù)學(xué)滿分的成績(jī)考入北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系數(shù)學(xué)專業(yè)。1981年，已經(jīng)在中國空間技術(shù)研究院工作的他得到了公派留學(xué)的機(jī)會(huì)。在留學(xué)期間，楊維廉因多次巧妙地解決數(shù)學(xué)難題而被同行所稱道。學(xué)成歸國前，他的導(dǎo)師寫下了這樣的評(píng)語：“他是一個(gè)比我還聰明的人?！?/p>
2001年，楊維廉受命負(fù)責(zé)“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星的飛行軌道設(shè)計(jì)。由于受運(yùn)載火箭發(fā)射能力的局限，衛(wèi)星不能直接由火箭送入最終運(yùn)行的空間軌道，而是要在一個(gè)橢圓軌道上先行過渡。在地面跟蹤測(cè)控網(wǎng)的跟蹤測(cè)控下，要選擇合適時(shí)機(jī)向衛(wèi)星上的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出點(diǎn)火指令，通過一定的推力改變衛(wèi)星的運(yùn)行速度，達(dá)到改變衛(wèi)星運(yùn)行軌道的目的。變軌是一項(xiàng)非常尖端的測(cè)控技術(shù)，對(duì)衛(wèi)星軌道的測(cè)量、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間的計(jì)算以及遙控技術(shù)都有很高的要求。
“嫦娥”奔月的軌道設(shè)計(jì)是一個(gè)嶄新的課題——探測(cè)器在地月之間的飛行涉及“三體”問題，除衛(wèi)星之外，必須同時(shí)考慮地球和月球的引力作用影響，而要解決此問題，只能用不斷的計(jì)算去嘗試和預(yù)測(cè)?！暗卦罗D(zhuǎn)移軌道至少有幾百種飛法，不同的飛法決定窗口出現(xiàn)的次數(shù)和天數(shù)，決定工程的成敗?！眹揽乒の虑蛱綔y(cè)工程中心副主任郝希凡說。
為了解決這一難題，楊維廉帶領(lǐng)科技人員們采用了圓錐拼接法，先假定將軌道分為地球運(yùn)行段和月球運(yùn)行段，然后分段逐次逼近，再經(jīng)過不斷修正，最終找到一條適合“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星的唯一的地月轉(zhuǎn)移軌道。
由于軌道設(shè)計(jì)合理、控制精準(zhǔn)，“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星在奔月途中應(yīng)有的三次中途修正被取消了兩次，節(jié)省了大量燃料。據(jù)國防科工委月球探測(cè)工程中心透露，“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星的使用壽命將為此延長(zhǎng)一年。
“女帥”巧解火箭難題
10月24日18時(shí)5分，“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空，實(shí)際誤差只有0.4秒。據(jù)郝希凡稱，發(fā)射前曾約定，如果誤差在3分鐘之內(nèi)，發(fā)射者可得100分，誤差在1分鐘之內(nèi)，可得120分。
這是長(zhǎng)征系列火箭第103次發(fā)射，也是“長(zhǎng)三甲”系列火箭第15次發(fā)射?！伴L(zhǎng)三甲”火箭最初是上世紀(jì)80年代為發(fā)射我國“東方紅3號(hào)”通訊衛(wèi)星研制的，由于從無失敗記錄，因此被譽(yù)為“金牌火箭”。
羅巧軍擔(dān)任了這次用“長(zhǎng)三甲”送“嫦娥”奔月的任務(wù)。
這是一位看上去十分清秀的“女帥”——繞月探測(cè)工程“長(zhǎng)三甲”系列火箭副總設(shè)計(jì)師。她1989年進(jìn)入北京航天動(dòng)力研究所，一直從事“長(zhǎng)三甲”火箭三級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。
早在十年前，航天科技人員就提出了發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)試車不分解的設(shè)想，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，縮短生產(chǎn)周期，降低研制成本。
就在這項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)中，如何實(shí)現(xiàn)整機(jī)氦檢漏成為第一道難關(guān)。有人提出通過出口堵氣或者進(jìn)口引氣實(shí)現(xiàn)密封，但是很快就被否決了。
這時(shí)，羅巧軍的腦海里突然閃出一個(gè)火花：利用氦氣和空氣搭配吹除的方法是否可行呢？經(jīng)過大家縝密的理論論證和一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，終于攻克了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)氦檢漏難關(guān)，該項(xiàng)技術(shù)還申請(qǐng)了國家專利。
這也是“長(zhǎng)三甲”送“嫦娥”奔月所做的五大適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)之一。
老牌專家研制“一臺(tái)頂三臺(tái)”相機(jī)
11月26日，國家航天局公布“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星傳回的第一幅月面圖像。拍攝這張照片的是安裝在“嫦娥一號(hào)”上的我國自行研制的CCD立體相機(jī)。記者在采訪中了解到，這一相機(jī)由中科院西安光機(jī)所研制。年過六旬的著名光學(xué)專家趙葆常擔(dān)任了該項(xiàng)目的主任設(shè)計(jì)師。
趙葆常從事光電測(cè)試技術(shù)、空間光學(xué)觀測(cè)技術(shù)和干涉光譜成像技術(shù)的研究已有45年之久。他在國內(nèi)最早從事高速攝影技術(shù)研究，是我國首臺(tái)間歇式、棱鏡補(bǔ)償式、轉(zhuǎn)鏡式高速攝像機(jī)及變像管高溫測(cè)量?jī)x的研發(fā)者。
據(jù)“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)副總工程師孫輝先介紹，要繪制月球立體圖像，一般要用三臺(tái)相機(jī)。由于我國的運(yùn)載火箭能力有限，研制人員立足自主創(chuàng)新，采用廣角鏡頭和巧妙的光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)相機(jī)頂三臺(tái)用。這不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，還大大降低了成本。
CCD立體相機(jī)從月球上空200公里的高空對(duì)月球表面拍照，得到的立體圖像在高度上可能會(huì)存在一定誤差。為了校準(zhǔn)誤差，提高高程測(cè)量精度，我國在“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星上安裝了激光高度計(jì)。這臺(tái)由中科院上海技術(shù)物理研究所和中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所共同研制的設(shè)備，是我國第一臺(tái)星載激光遙感設(shè)備，對(duì)其使用也是國際上首次開展的繞月激光測(cè)距。
“在圖像前期處理過程中，很多科學(xué)家看到中國用自己生產(chǎn)的相機(jī)拍到如此高清晰的圖片，甚至激動(dòng)得流淚?！眹揽乒の敝魅?、國家航天局局長(zhǎng)孫來燕說，“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星拍攝的圖像比預(yù)想更好。
“借”錢建天線背后的科研智慧
在我國探月工程的論證中，測(cè)控系統(tǒng)成了制約整個(gè)工程的瓶頸。
據(jù)了解，地面接收到的月球探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度，只有同等發(fā)射功率的地球同步軌道衛(wèi)星信號(hào)的約1/127。為了增強(qiáng)接收信號(hào)的能力，美國、俄羅斯等國建設(shè)了由一系列大直徑天線組成的航天測(cè)控網(wǎng)，例如美國和俄羅斯主力天線口徑為35米，最大天線的口徑達(dá)到70米，僅一臺(tái)天線的面積就接近4000平方米。而我國此前航天測(cè)控系統(tǒng)最大天線的口徑是12米，不能滿足探月測(cè)控的需要。
從2002年10月開始，“嫦娥”工程地面應(yīng)用系統(tǒng)就策劃推動(dòng)50米口徑天線的建設(shè)，但月球探測(cè)項(xiàng)目中事先沒有設(shè)計(jì)建設(shè)天線的巨額費(fèi)用。就在科研人員困惑之際，有人提醒：國家天文臺(tái)曾有一個(gè)在北京密云建50米口徑天線的設(shè)想，但工作進(jìn)展遲緩。于是，“嫦娥”工程地面應(yīng)用系統(tǒng)借了國家天文臺(tái)5000萬元，將天線建立起來。該天線于2006年10月通過驗(yàn)收評(píng)審后正式進(jìn)入試運(yùn)行。
在此之后，科研人員們又創(chuàng)造性地提出，利用上海天文臺(tái)佘山站、國家天文臺(tái)密云站和云南天文臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力，組成一個(gè)幾乎與我國國土面積大小相當(dāng)?shù)臏y(cè)量網(wǎng)，相當(dāng)于一個(gè)巨大的天文望遠(yuǎn)鏡，以提高測(cè)量精度。
“大量的數(shù)據(jù)收集到以后，我國科學(xué)家將進(jìn)行數(shù)據(jù)提煉?！崩@月探測(cè)工程總設(shè)計(jì)師孫家棟透露，經(jīng)初步批準(zhǔn)，探月數(shù)據(jù)將在國內(nèi)科學(xué)界全部公開。在此基礎(chǔ)上，我國可能會(huì)根據(jù)國際慣例，將一部分?jǐn)?shù)據(jù)用于國際交流，一部分用于交換等。(章軻/第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào) ）
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