嫦娥二号的创新与遗憾：一次缺乏科研任务的发射

航空

今年中秋节后，中国将发射嫦娥二号探月卫星。据新华社报道，与嫦娥一号相比，嫦娥二号实现了六项创新与突破。这六项技术创新都是哪些方面的突破？此次发射的成败关键是什么？与日印两国的探月工程相比，嫦娥二号究竟处于一个什么样的水平？网易军事将为您作出分析。


新华社为嫦娥二号项目总结的六大创新与突破，表明嫦娥二号主要目的是对几项新技术和新探索进行验证。

根据海内外媒体报道，嫦娥二号将于国庆节前后正式发射。嫦娥二号实现了很多技术的创新和突破，将承上启下为嫦娥三号的软着陆验证技术积累经验。
其实早在2009年3月1日，当嫦娥一号撞月完成了其使命时，它的后继者嫦娥二号就已经确定了基本设计。嫦娥一号总设计师叶培键院士当时就表示，作为探月二期工程的先导星，嫦娥二号将于2011年前发射。嫦娥二号探测器是嫦娥一号备份星改进而来，嫦娥一号探测器花费14亿人民币，备份星约6亿人民币，嫦娥二号将携带分辨率更高的CCD相机，飞行在更低的100公里高度月球轨道上。
新华社为嫦娥二号项目总结的六大创新与突破分别为：1、突破运载火箭直接将卫星发射至地月转移轨道；2、试验X频道深空测控技术，初步验证深空测控体制；3、验证100公里月球轨道捕获技术；4、验证100X15公里轨道机动与快速测定轨技术；5、试验全新着陆相机，数据传输能力大幅提高；6、对嫦娥三号预选着陆区进行高分辨率成像。
这六大创新与突破究竟具体难度如何？对比日本、印度的探月工程又处于一个什么样的水平？网易军事为您做出分析。

嫦娥一号所拍摄的首张三维成像图，嫦娥二号的CCD相机的分辨率大大提高，不过在数据传输速率上仍不及日印。

100公里高度7米分辨率超越日本Selene1
嫦娥二号的关键载荷包括100公里高度7米分辨率的高清晰度CCD相机，2009年8月19日举办的“中国空间科学学会第七次学术年会”上传出消息，我国最新研制的光学相机已经交付测试，将配备在嫦娥二号探测器上，这个相机的分辨率已经赶超了日本Selene探测器的水平，这也是嫦娥二号在技术上的重大突破之一。为了提高相机的分辨率，研制单位中科院西安光学精密机械研究所采用多区域感光合成技术，使用96条线对同一目标采样，96条线的信号叠加后获得更高分辨率和清晰度，即使很暗的区域也能有效成像。这部高分辨率CCD相机很大程度上弥补了嫦娥一号CCD相机分辨率120米，远远低于同期日本和印度相机的遗憾，嫦娥二号将使用这部相机拍摄更高分辨率的立体月面全图。西安光机所赵卫所长形象表示原有120米分辨率相机只能拍摄到停车场，而新的7米分辨率相机则能拍到停车场里的汽车，结合100X15公里的椭圆轨道，在15公里近月点时分辨率达到1米，甚至可以分辨出汽车的形状。
数据传输速率增加一倍，仍不及日印
嫦娥二号还将大幅提高数据传输能力，从嫦娥一号的3兆每秒增加到6兆每秒，接近了当年印度Chandrayaan-1探测器8.4兆每秒和日本Selene探测器10兆每秒的传输能力，嫦娥二号还将进行12兆每秒的传播速率试验，不过即使12兆每秒的传输数率，也远小于7米分辨率相机的实时输出数率，尽管没有嫦娥二号存储能力的确切消息，不过为了存储海量的数据，相信肯定比嫦娥一号48Gb的容量有很大提高。
用于寻找平台着陆区
嫦娥二号不仅拍摄高清晰度的立体月面全图，也将在100公里高度和15公里高度分别对嫦娥三号预选着陆区域进行7米和1米的高分辨率成像实验，最高1米分辨率的图像将为找寻最为平坦的合适着陆区域积累更可靠的数据，避免降落到陡坡或是暗坑的危险。除了正常的立体相机，嫦娥二号还增加了降落相机，用于检验对月成像能力，为“嫦娥三号”月面软着陆进行技术验证。

嫦娥二号的绕月轨道将在100公里高度上，热控问题和月球重力场不均匀的影响让这个高度对航天测控和卫星设计提出了更高的要求。

嫦娥一号在技术上有所求稳
说到嫦娥二号的100公里圆轨道和100X15公里椭圆轨道，关注探月工程的朋友不会陌生。早在嫦娥一号上就进行过类似的试验。2008年12月6日嫦娥一号制动后从标准的200公里圆轨道进入100公里圆轨道，并拍摄了65米分辨率的立体图像。12月19日嫦娥一号机动进入近地点17公里远地点100公里高度的椭圆轨道，由于月球重力场不均匀的影响，不到一天时间近地点就漂移到15公里高度。
嫦娥一号正常工作轨道为200公里，这固然有利于快速完成120米分辨率月面全图，但同期日本Selene-1和印度Chandrayaan-1探测器都是100公里高度轨道，嫦娥一号在技术上要略逊一筹。由于月球重力场影响，100公里高度轨道轨道漂移严重得多，需要更频繁的轨道维持，对航天测控也提出更高的要求；更低的轨道还有月面反射带来的更复杂的热控问题。
嫦娥一号作为我国深空探测的首次尝试，立项时间晚进度紧，如果选择100公里高度圆轨道，将对航天测控提出更高的要求，热真空试验和热控系统设计也都需要更长时间，还要求提高载荷的可靠性，这意味着需要更长时间研制和测试载荷，如此一来探测器发射几乎必定落在印度之后，为航天竞赛的胜利和任务成功选择更高的轨道倒也无可厚非。以印度为例，Chandrayaan-1探测器立项研制早于嫦娥一号一年，发射时间几乎晚一年，测试试验更为完善，顺利进入100公里高度极地圆轨道后仍遇到了热控问题，导致部分仪器无法工作。后继的Chandrayaan-2号探测器的轨道器也将运行在200公里圆轨道上，降低对轨道控制和热控的要求。
另外，嫦娥二号运行在100公里高度圆轨道上，这不仅有弥补嫦娥一号求稳技术上落后于日本和印度的遗憾的需要，还有为嫦娥三号探测器进行技术验证的考虑。嫦娥三号将进入100公里高度轨道，随后变轨降低高度到15公里，最后进行软着陆操作，嫦娥二号将为嫦娥三号验证100×15公里轨道机动与快速测定轨技术，同时100公里和15公里高度拍摄的图像将为嫦娥三号选择着陆场积累数据。
嫦娥二号近月捕获技术将达到日本水平
另外，嫦娥二号进入月球轨道的捕获也在距离月面100公里高度处。嫦娥二号将在距离月面100公里高度进行制动，更低的轨道上月球不均匀重力场的摄动要更大，这对探测器制导精度和制动控制精度的要求也大为提高。此前嫦娥一号是距离月面200公里高度进行捕获，进入近月点200多公里远月点8600公里的大椭圆轨道。印度的Chandrayaan-1技术就要差得多，是距离月面500公里高度进行捕获，随后多次变轨才进入100公里高度轨道，不过07年日本的Selene-1探测器就是100公里高度捕获进入一个近月点101公里远月点11741公里的大椭圆轨道，显示了JAXA更高的深空测控技术水平。

嫦娥一号发射后的探月轨道变轨过程。嫦娥二号将采用直接奔月的方式可节省更多的燃料，但对入轨精度的要求极高。

嫦娥二号探测器捕获的难度不仅来自于近月捕获高度的降低，还有地月转移设计的变化的影响。中国日本和印度的首次成功探月，三颗探测器都是先进入地球附近的过渡轨道，经过多次变轨后才进入地月转移轨道，所用时间较长，当然这样的轨道设计可以极大的降低对火箭入轨和控制精度的要求，即使火箭发射后入轨精度不足甚至出现一些偏差，也可以在随后的轨道调整中进行修正。
直接奔月将可延长嫦娥二号工作寿命
嫦娥二号对比嫦娥一号的一个关键技术创新是使用了直接奔月轨道设计，嫦娥二号将由长征三号丙火箭将探测器直接送入近地点200公里，远地点约38万公里的奔月轨道，一步到位进入地月转移轨道，这本来是探月二期工程嫦娥三号计划使用的技术，先导星嫦娥二号将对这个高技术更是更风险的技术进行验证。直接奔月的嫦娥二号从发射到近月点捕获所需时间将减少到5天，进入环月工作轨道的时间相应的缩短到7天，比嫦娥一号从发射到近月捕获需要约12天，进入环月工作轨道需要将近14天快得多。
嫦娥一号发射后进入近地点200公里远地点51000公里的轨道，远地点低得多，因此运载火箭的最大速度略小，只有10.3公里/秒，而要让嫦娥二号直接奔月，运载火箭的最大速度要增加到10.9公里/秒。由于火箭燃尽后的最大速度直接决定远地点的高度，出现几米每秒的速度误差就会将嫦娥二号直接打飞甚至撞上月球，对火箭入轨精度要求极高，用“失之毫厘谬以千里”来形容再正确不过了。更高的最大速度也意味着必须使用推力更大的运载火箭，这实际上是以运载火箭的加速取代探测器自身变轨的加速，由于节省了多次变轨的推进剂消耗，探测器可以携带更多的载荷，或是携带更多的推进剂工作更久。
中国计划使用长征三号丙火箭发射嫦娥二号卫星，不过还火箭还需要进行修改以提高控制精度。

直接奔月要求大推力、高精度火箭
直接奔月轨道要求运载火箭具备更大的推力，极高的入轨精度和控制精度，发射嫦娥一号的长征三号甲火箭不能满足运载能力的要求，而原有的长征系列火箭在入轨精度上都有所不足。目前我国发射过的航天器远地点最远的是2003年12月30日发射的探测一号，探测一号近地点555公里，远地点78051公里，这是我国第一次发射高轨道卫星，但这次发射原定的远地点是7万公里。尽管远地点高了8000公里不影响探测一号的空间环境探测试验，我国缺乏高精度的高轨道入轨能力的缺陷却暴露无遗。2007年10月24日嫦娥一号也没有验证更远高度直接入轨精度。
因此，嫦娥二号的200公里近地点38万公里远地点的大椭圆轨道，对中国航天的运载火箭和测控系统来说堪称前所未有的考验，笔者个人认为这也是嫦娥二号项目难度最大的环节。07年发射嫦娥一号的是长征三号甲火箭，而这次嫦娥二号发射则采用了长征三号丙火箭，而且需要对火箭进行专门修改、以提高控制精度。2010年8月29日中国运载火箭技术研究院举行了“我要飞得更远”的长征三号丙火箭试验队出征仪式，探月工程总设计师吴伟仁，航天科技集团公司总经理马兴瑞等领导亲自参加出征仪式为他们壮行，长征三号丙遥七火箭的入轨精度有很大提高，将承担将嫦娥二号直接送入奔月轨道的重任。

嫦娥二号任务中将继续使用嫦娥一号的USB加VLBI的测轨方案，但增加了新的X频段测控系统，将实现更高精度的测控能力。

嫦娥二号的近月捕获除了对运载火箭的入轨精度提出了很高要求，深空测控能力也是关键。探月工程前我国没有深空测控地面站，载人航天使用统一S频段(USB)测控网络，USB系统天线最大直径只有12米，不能满足探月测控需求，而美俄都有70米直径天线，深空地面站的主力天线也高达直径34米。欧空局和日本都拥有35米直径天线，即使印度也有18米和32米直径天线。为满足嫦娥一号测控需求，我国科学家在新的35米直径测控天线没能建立之前，使用国家天文台的北京密云站，上海佘山站，昆明站和乌鲁木齐站的射电天线组成了甚长基线干涉测量(VLBI)测轨系统，精确测定嫦娥一号的轨道。通过USB加VLBI的测控通信方案，保障了嫦娥一号任务的顺利完成。
嫦娥二号任务中将继续使用USB加VLBI的方案，作为一项重大技术突破还增加了X频段测控系统。X频段波长在2.5~3.75厘米之间，频率为8~12G赫兹，比传统的S频段2~4G赫兹要高得多，因此X频段雷达具有更好的测控精度。嫦娥二号首次使用X频段测控系统，将实现更高精度的测控能力，为近月捕获和100公里圆轨道飞行打下更好的基础，同时为陆上X频段测控系统的后继建设和海上X频段的部署积累经验。
从目前的信息看，X频段测控系统12米直径天线可以实现远达100万公里的测控能力，足以满足探月工程的测控需求，同时在远距离上测控通信效果要好得多，但嫦娥二号中项目中X频段测控系统主要进行技术验证，在后继的二期三期工程中才可能真正承担起深空测控主力的任务，这也是嫦娥二号为探月二期工程所作的关键技术验证之一。

2009年美国NASA通过分析印度Chandrayaan-1上搭载的月球矿物绘图仪数据时，发现月球北极存在少量的水(图中绿色圆圈所示火山内部就存在水)。嫦娥二号相比并没有什么实际的科学探测任务。

虽然嫦娥二号在技术上有很多创新与突破，不过从目前的报道看，嫦娥二号的关键技术突破，多数是火箭和测控的突破，仅有一项高分辨率相机是载荷。嫦娥二号的主要目的，就是为探月二期工程嫦娥三号探测器进行技术验证并对着陆区进行高精度成像，除了高分辨率立体月面图，嫦娥二号探测器在公开新闻上就没有什么具体的科学目标，对于一个科学项目，这无疑是很遗憾的。
嫦娥一号探测器在载荷水平和科学探测上已经不尽人意，嫦娥二号也没有什么改观，这固然有我国空间科学载荷研制水平低的因素，也有深空探测指导思想的问题，目前我国深空探测还在为验证自己具备探测能力而探测的早期阶段。虽然航天领域为保持或是验证航天能力而进行航天活动的行为屡见不鲜，如美国的载人航天项目，而深空探测领域也不乏这样的行为，如日本当年700万公里外飞过的先驱号哈雷彗星探测器，不过还是希望我国能尽快走出深空探测初期阶段，早日以众多领先的科学探测成绩，为航天事业赢得更多更广的支持。
其实在09年，美国NASA通过分析印度Chandrayaan-1上搭载的月球矿物绘图仪数据时，就已经发现月球北极存在少量的水。日本和印度接下来的Chandrayaan-2、Selene-2探测器受此鼓舞，都准备前往月球南极上空，希望有更令人惊喜的发现。印度空间科研水平虽然也比较低，但通过搭载外国设备，也参与了一些实质性科学发现，赢得了国际同行的尊敬。

纵观整个嫦娥二号项目，从相机分辨率，数据传输速率，近月轨道的测控和热控水平来看，嫦娥二号达到或超越了07年与嫦娥一号同期发射的日本Selene-1探月卫星的水平。而直接奔月轨道设计、高入轨精度火箭、X波段深空测控技术，比起日印两国都是一种全新的技术领先。可以说，嫦娥一号为了进度和首发成功，在技术上有所求稳；嫦娥二号虽由备份星改装而成，但却承担起探月工程一期的主要技术验证任务。
作为一次耗资6亿人民币以上的探月卫星发射，嫦娥二号的探月任务仅仅是为嫦娥三号选定着陆场一项，其余的任务都是火箭、测控技术验证，这是令人感到遗憾的。在这方面，中国仍需转变思路，加强空间科研的发展，月球及其它空间科学研究水平争取早日达到航天技术在国际上所取得的位置。