图片
产品搜索
嫦娥即将落月,“踏过”的鹊桥竟如此小巧
作者:作者3    发布于:2019-01-02 19:15:49    文字:【】【】【
摘要:2019年1月1日,新年的阳光洒满大地,也洒在月球永

2019年1月1日,新年的阳光洒满大地,也洒在月球永不示人的背面。

两天前,嫦娥四号探测器成功实施了变轨控制,顺利进入近月点高度15千米,远月点高度100千米的着陆准备轨道。

在与读者朋友共同回顾了中国航天的“超级2018”后,笔者想和大家聊一聊那个能让嫦娥四号月背之旅成行的“先锋官”——鹊桥号中继卫星。

这是嫦娥四号任务系列文章的第三篇,也是笔者专栏的新年第一篇,我们就来看看,运行在地月L2点晕轨道的“鹊桥”,到底有什么本事。

在上一篇嫦娥四号专栏中,笔者与各位读者分享了鹊桥号中继星的任务目标,和为实现目标设计的复杂轨道。也许读者朋友会觉得,为了实现那么重大的目标,在那么复杂的轨道上运行,鹊桥号卫星应该很大吧?

卫星本体长宽不到1.5米,高度不到90厘米,不管是在中继卫星圈子,还是月球与深空探测圈子中,鹊桥号卫星都是名副其实的“小个子”。

这样一颗小卫星,要在没有上面级帮助的情况下独自完成近月制动,高达数百米每秒的速度增量,令许多大卫星都望而却步。

这样一颗小卫星,要在复杂诡异的晕轨道上,随时调整姿态,把天线对准嫦娥四号的着陆器和巡视器。

这是人类历史上第一颗采用地月L2点晕轨道运行的应用卫星。

鹊桥号采用成熟稳定的CAST100小卫星平台,通过深度定制,使整星既能满足月球背面通信中继任务需求,又能确保可靠性。整星分为平台和载荷两大部分:

近月制动需要很高的速度增量,因此设计师为鹊桥配备了一套单组元肼推进系统,采用4台20N发动机并联,执行近月制动和其他轨道控制指令。

为确保卫星姿态调整灵活,指向精度高,鹊桥号卫星采用了整星零动量三轴稳定的控制方式,能够对惯性空间任意指向,指向精度与稳定度表现优异。但是,这种控制方式在运用过程中需要定期引入外力对反作用轮系统进行“卸载”,否则反作用轮的速度将达到饱和失去效果。

对于近地轨道的卫星,一般通过地磁场产生的磁力矩就能完成卸载,而鹊桥号卫星工作在距地球40多万千米的晕轨道,无法利用地磁场,只能通过姿控喷气完成卸载。为此,鹊桥号卫星安装了12台5N发动机。

更多次的姿控喷气,将进一步增加了推进剂消耗,因此最终鹊桥号卫星携带了多于100千克的无水肼推进剂——这对于一颗发射重量不到449千克的小卫星,无疑是罕见的。

为保障有效载荷与平台的电能供应,鹊桥号卫星采用了近4平方米的高性能的三结砷化镓太阳电池阵,45安时的高性能锂离子电池组,寿命末期依然有近800W功率。

这所有的一切,都是为了与着陆器和巡视器实现连续、稳定、可靠的中继通信,中国造的“鹊桥”,很坚固。

相信鹊桥号卫星给读者朋友留下最深刻的印象,莫过于那巨大的可展开天线:

这个展开后口径达4.2米的高增益伞状抛物面天线,是人类深空探测历史中口径最大的通信天线。让鹊桥号这样一颗小卫星用上如此庞大的天线,却是有必然性的。

在嫦娥四号的任务设计中,鹊桥号中继星要在X波段与着陆器和巡视器分别建立通信链路:

评价通信链路性能的最基本参数之一,是链路中的载波功率与噪声功率之比,简称载噪比,这个值越大,链路性能越好。

接收机输入端的载噪比C/N可以简单地用下面的公式给出:

在其他条件不变的情况下,载噪比的大小与发射天线的增益G_T,接收天线的增益G_R成正比。

由于嫦娥四号着陆器与巡视器无法携带更大的天线,增益上不去,因此只能尽量提高中继星的抛物面天线增益,才能保证系统通信链路的畅通。

通过4.2米口径天线,鹊桥号卫星的增益达到了45dB,可实现对着陆器最高560kbps、对巡视器最高280kbps的接收码速率。鹊桥号中继星的对地传输采用S波段,中增益螺旋天线,最高码速率超过2Mbps,如果有需要,鹊桥号还可以调转方向,用伞状天线直接实现10Mbps的X波段对地数据传输。

除此以外,鹊桥号卫星还搭载了荷兰研制的低频射电天线等科学载荷,可在轨展开科学探测和技术验证试验,真正做到“革命生产两不误”。

经常有读者和航天爱好者同笔者谈起中国卫星的发展状况,其中也不乏负面观点。前年在和一位航天爱好者聊天的时候,对方觉得中国卫星的水平低,寿命短,上天就翻车。

笔者并没有急着反驳,而是给这位爱好者朋友讲了一个冲击性的事实:发达国家的遥感卫星,寿命大多在8年到10年,而直到2017年,中国下大力气、投入大量经费的高分系列卫星,竟然没有一颗工作超过5年的!

这位爱好者朋友顿时惊呆,等他回过神来,那真是痛心疾首痛心绝气痛心切骨,痛说外国先进中国落后,最后说道“寿命那么短,越搞和国外差距越大,中国航天还有什么希望?”

“高分一号是2013年发射的,一直在轨正常工作,到今天也才4年多啊。”

虽说“钓鱼”可耻,但那位爱好者朋友的心态,也多少具有代表性。另外,到2019年1月1日,高分一号依然正常工作,还与新发射的高分六号组网运行。

至于中国卫星的寿命,大型高轨平台我们已经达到了15年的世界水平,低轨遥感小平台上,也有令人欣喜的突破。

在刚刚过去的2018年,一对中国双子星迎来了它们的10岁生日。

上世纪90年代,面对自然灾害监测的高时效性需求,北斗卫星的创始人陈芳允院士提出了利用小卫星星座的应对方案。

在经历了与北斗类似的国际合作受阻后,2008年9月6日,我国自行研制的环境减灾一号A/B双星终于发射升空,每颗星的重量不到500千克,通过可见光与红外等探测手段,结合多光谱与超光谱探测能力,实现国土范围全覆盖的减灾与环境监测。

到2018年9月6日,环境减灾一号A/B星已在轨运行10年,荣膺我国寿命最长的遥感卫星。

值得注意的是,除了B星的一个红外谱段外,双星的载荷依然能正常工作,为用户提供源源不断的数据。

更为值得注意的是,得益于精妙的轨道控制策略,双星分别携带的,用于轨道维持和转移的推进剂,都还有一半的余量。

长寿的低轨卫星在航天超级大国也是有的,美国的Terra卫星就在轨服役了近20年,但那是一颗5190千克的超大型卫星,那是科技水平长年一骑绝尘的美国。

本世纪初设计水平的环境减灾一号双星,已经走过了成功的10年,在各项指标正常,推进剂尚存一半的情况下,谁说它们就不能有第二个10年?

环境减灾一号卫星的研制单位,与鹊桥号中继星一样,是中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司,这是我国小卫星领域的龙头单位,也是东方红一号的传人。

高分一号、高分六号、高景一号、张衡一号……东方红公司的名片就是共和国的群星闪耀。

中国航天从弱到强,有中国小卫星人的无私奉献;在建设航天强国的征途中,他们是突击队,是生力军。为了航天梦,为了中国梦,他们努力奔跑。

脚注信息
版权所有 Copyright(C)2018-2030 K彩娱乐
网站地图