航天五院西安分院助力探月工程紀實

2004年1月23日,我國繞月探測工程獲批立項並全面啟動研制任務。20載負重拼搏,中國航天人在探月工程"三步走"戰略的指引下,推動嫦娥一號、嫦娥二號先后成功奔月,嫦娥三號著陸虹灣,嫦娥四號降落月背,嫦娥五號採樣返回,我國探月工程"繞、落、回"三步走規劃目標順利完成。
在我國探月工程任務中,航天科技集團五院西安分院航天人為實現中華民族的奔月夢想,堅持弘揚以"追逐夢想、勇於探索、協同攻堅、合作共贏"為主要內涵的探月精神,研制出適應深空探測的天線、數傳、測控、中繼、測距測速敏感器產品,為探月工程歷次任務中的深空探測體制驗証、數據傳輸、落月、返回等關鍵任務的完成做出了突出貢獻。在20年的時間裡,西安分院航天人傾情護"嫦娥",傾力探"廣寒"。
嫦娥一號:38萬公裡外傳回我國第一幅月面圖
嫦娥一號衛星發射升空后,在距離地球38萬公裡以外的遙遠太空,西安分院為衛星研制的數傳子系統及測控全向天線、信標天線使嫦娥一號衛星順利向地面傳回數據,報告衛星的各種飛行參數,傳回了嫦娥一號衛星拍攝的我國第一張月面圖。
在承擔研制任務后,西安分院迅速成立了嫦娥一號衛星研制項目組,組織骨干技術人員,快速開展技術攻關。在研制過程中,衛星總體對衛星數傳、測控全向天線的方向圖和增益、結構設計等多種指標要求十分嚴格,一些關鍵的遙控指令必須保証在短時間內一次發送成功。
在數傳子系統的研制過程中,為了實現遠距離的數據傳輸,達到符合總體近乎苛刻的指標要求,項目組成員決定採用微波直接調制技術來實現。研制隊伍所有人持續集同攻關,圍繞著最優的設計方案,反復討論設計流程,對每個環節的設計指標,一點點完善,反復進行仿真試驗,最終形成了符合總體要求、完全滿足指標的數傳子系統設計方案。
在測控全向天線和信標天線的研制中,通過反復的試驗完善,總結經驗,終於確定了一個繼承中帶有創新的方案。最終,研制隊伍按照這個方案成功研制了測控全向天線和信標天線並成功應用於嫦娥一號衛星。
2007年10月24日,我國自主研制、發射的第一個月球探測器——嫦娥一號,經歷調相軌道、地月轉移軌道、月球捕獲軌道3個階段后,總飛行距離約180萬公裡,最終成功進入環月工作軌道。11月26日,國家航天局正式公布了嫦娥一號衛星傳回的第一幅月面圖像,這標志著中國首次月球探測工程任務取得圓滿成功。
2009年3月1日,嫦娥一號衛星在地面操作人員的精確控制下,成功實施"受控撞月",准確撞擊在月球正面豐富海的平坦區域。
嫦娥二號:飛向更遠的深空
在嫦娥二號衛星中,西安分院承擔研制了X頻段測控系統、數傳子系統、測控全向天線及信標天線。
相比於嫦娥一號所使用的S頻段測控系統,嫦娥二號所採用的X頻段測控系統在測控的靈敏度、測距音組的頻率上都有技術上的改進和提升。通過這些技術改進可以在很大程度上提升測控的精准度。在X頻段測控子系統研制團隊的共同努力下,從最初的沒有原理樣機的空白,到研制出成熟的原理樣機,再到正樣產品的交付﹔從嫦娥一號的模擬數字處理,到國內第一個X頻段的數字處理應答機﹔從對技術的不斷摸索到最后對研制產品的完全自信。X頻段研制團隊用一年半的時間創造了西安分院在衛星測控系統研制方面的一個記錄。
在嫦娥二號衛星上,西安分院研制的數傳子系統繼續發揮功效。當衛星上的相機拍攝到月球表面的圖像之后,由西安分院研制的嫦娥二號衛星數傳子系統將定時地傳回月球表面的圖片等數據資料,可以使人們更好地研究月球表面的情況。西安分院為嫦娥二號衛星研制的測控全向天線及信標天線在和地面發射和接收系統以及數傳子系統工作的同時完成了數據的發射、接收和傳輸。
2010年10月1日,嫦娥二號成功發射。嫦娥二號在半年設計壽命周期全面實現了6大工程目標和4項科學探測任務,獲取了一批重要科學數據。同時,嫦娥二號也是我國成功研制的第一個行星際探測器,使中國成為世界上第三個造訪拉格朗日點、第四個開展小行星探測的國家。
嫦娥三號:中國首次月面軟著陸
在嫦娥三號任務中,西安分院為嫦娥三號探測器研制了測距測速敏感器、測控天線、數傳系統。與嫦娥一號、二號相比,嫦娥三號探測器技術跨度大、設計約束多、結構也更為復雜。
2008年4月,西安分院先期啟動嫦娥三號測距測速敏感器項目原理樣機研制的技術攻關。嫦娥三號測速測距敏感器在關鍵的落月過程中為著陸器實時地提供距離月面的速度及距離信息。作用和地位顯而易見,一旦出現問題,將很可能引起災難性后果,甚至導致落月計劃失敗。
研制團隊按照產品保証要求,做好機電熱設計,對整個產品進行全面、詳細的設計,同時對測距測速敏感器的頻率綜合器做了局部的完善。此后,整個嫦娥三號測距測速敏感器的設計基本定型和成熟。
由於在嫦娥三號落月的過程中,測距測速敏感器要在振動和羽流環境下工作,所以在產品轉初樣研制階段要通過校飛試驗、力學振動試驗、羽流試驗等多個重要試驗來驗証產品工作的狀態和性能。通過系列綜合的系統試驗,研制團隊充分驗証了測距測速敏感器在多種環境下的工作狀態。
2013年12月14日晚,嫦娥三號成功實施月面軟著陸。嫦娥三號成功降落在月球虹灣地區,我國首次實現地外天體軟著陸和巡視探測,成為世界上第三個成功實現地外天體軟著陸和巡視勘察的國家。
嫦娥四號:人類首次月背軟著陸
2019年1月11日,嫦娥四號任務圓滿成功,嫦娥四號著陸器與玉兔二號巡視器工作正常,在"鵲橋"中繼星的支持下順利完成互拍,地面接收圖像清晰完好。西安分院為嫦娥四號探測器提供的測控天線、數傳子系統、測距測速敏感器,為中繼星提供的中繼通信分系統、天線分系統及測控分系統等重要產品設備是嫦娥四號任務圓滿成功的有力保障。
為了安全落月,西安分院設計師們在嫦娥三號探測器的測距測速敏感器研制經驗的基礎上,進行了升級和優化。測距測速敏感器通過把握速度和距離的信息,保証了嫦娥四號輕盈落月。
嫦娥四號探測器數傳子系統的低速傳輸是此次任務中用的最多的傳輸速率。低速率傳輸不僅要慢,還要保持平衡是確保任務圓滿完成的重要一環。為了實現低速率傳輸,西安分院的設計師們經過了數次的方案論証、試驗,最終才成功地為嫦娥四號探測器特制了一套數傳子系統。
西安分院為"鵲橋"中繼星研制的中繼通信分系統在地、月、星之間建立了數據鏈路,這些數據鏈路可以實現"鵲橋"與嫦娥四號探測器的雙向通信以及"鵲橋"與地面的雙向通信。同時,在"鵲橋"中繼星上西安分院研制的大口徑傘天線在當時國際上第一次成功應用於深空探測。
2019年1月,嫦娥四號任務取得圓滿成功,實現人類航天器首次在月球背面軟著陸和巡視勘察,率先在月球背面印上中國足跡。
嫦娥五號:中國人首次月球採樣返回
2020年11月24日,嫦娥五號探測器正式出征。西安分院為嫦娥五號探測器研制了測距測速敏感器、測控天線、數傳子系統以及交會對接微波雷達,為探測器實現"繞、落、回"全程護航。
在嫦娥五號的地月轉移、變軌環月的繞月階段,動力下降、上升器的月面工作階段以及交會對接階段幾乎所有的工作模式中都需要使用西安分院研制的測控天線與地球進行測控通信。
在嫦娥五號探測器抵達月球軌道后,西安分院為嫦娥五號研制的微波測距測速敏感器可以測量並發送著陸器與月球表面的距離以及著陸器下降的速度,以便於著陸器來判斷降落的落點和速度。
西安分院為嫦娥五號探測器研制的數傳子系統將嫦娥五號探測器拍攝的照片及時傳回地面。除此之外,西安分院研制的交會對接微波雷達為嫦娥五號探測器在距離地球38萬公裡外"穿針引線"式的交會對接保駕護航。交會對接微波雷達可以測量上升器和軌道器之間的相對距離、方位、俯仰角度及其變化,除了為兩器的交會對接提供實時的信息之外,還可實現兩器之間的通信。
2020年12月,嫦娥五號攜帶月壤圓滿回歸,實現了中國航天史乃至世界航天史上的多個"首次",收獲了研究月球乃至太陽系行星的寶貴科學樣品,奏出了中國探月工程"繞、落、回"三步走的終章強音。
嫦娥五號是我國首個無人月球採樣返回任務,是當時我國復雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程,一舉突破月面採樣、月面起飛上升、月球軌道交會對接與樣品轉移、跳躍式再入返回等關鍵技術,經過環環相扣的飛行過程,帶回1731克月球樣品,成為世界單次採樣量最大的無人月球採樣任務。嫦娥五號任務是我國實現高水平科技自立自強的生動實踐,為后續的無人月球科研站、載人登月等奠定了基礎,是我國航天發展的又一個重要裡程碑。據悉,我國將於2024年上半年發射嫦娥六號,執行月球背面採樣返回任務。
從嫦娥一號到嫦娥五號,從繞月探測工程立項到完成"繞、落、回"三步走戰略,西安分院探月工程研制隊伍始終矢志不渝,在20年的時間裡,以篤行不殆的實干精神成為我國探月工程任務中的中堅力量,並將繼續為后續任務作出更大的貢獻。(記者 趙磊)

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