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王广利:参加了历次“嫦娥登月”计划后,又荣膺“最美科技工作者”称号

  “莫道嫦娥路太远,安得猛士倚天建。巨臂力擎承天盏,宏轮驱动天河转。”这几句诗,出自中国科学院上海天文台嫦娥四号VLBI测轨分系统总设计师、盟员王广利创作的《天马》。就在“全国科技工作者日”,他荣获2019年上海“最美科技工作者”,还将作为上海地区候选人参与2019年全国“最美科技工作者”角逐。

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  王广利于1998年入盟。曾参与我国嫦娥一号到四号的任务,目前正在参与嫦娥五号任务,所参与的“嫦娥四号任务VLBI双波段ΔDOR精密测轨”入选2018年度“十大天文科技进展”。曾获我国“首次绕月探测工程突出贡献者”称号,上海市科技进步一等奖,中科院朱李月华优秀教师奖以及国防科工委探月三期关键技术攻关优秀个人等称号。

  让我们通过访谈,一起走近王广利和他“探月”之行。

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(王广利作科普讲座)

  盟宣:人类对月亮的向往自古有之,现代人终于实现了登月的梦想,人类历史上有哪些重要的月球探测活动?

  王广利:从上个世纪50年代起,人类已向月球发射了110多个探测器。例如1959年的月球2号,第一次完成探测器硬着陆月球表面,人类开始通过探测器零距离认识月球;1964年徘徊者7号第一次拍摄了月球表面;1966年月球9号第一次在月球表面软着陆;1969年阿波罗11号开始载人上去,阿姆斯特朗第一次登上月球,留下脚印等等……自从2007年嫦娥一号之后,我国也已开展了四次月球探测任务,发射了六个探测器或绕月卫星,今年年底将发射嫦娥五号。

  盟宣:我们国家的探月活动有哪些特点呢?

  王广利:我们国家的探月活动是按步骤按计划进行的,是一项百年计划。一是“探”,看看月亮上面有什么;二是“登”,派人上去看看真的是这样吗?三是“驻”,长期驻留,建立基地。目前我们是在“探”的阶段。探月工程又分为三期。一期是“绕”:实现绕月探测,也就是发卫星围着月亮转,如嫦娥一号、嫦娥二号;二期是“落”:实现月面软着陆探测与月面巡视勘察,如嫦娥三号、嫦娥四号的探测活动;三期是“回”:实现采样返回,如年底我们即将发射嫦娥五号,会落上去采样返回。

  盟宣:“嫦娥奔月”流传千年,如今神话正在成为中国航天的现实,您能简单介绍下嫦娥一号到嫦娥四号的情况吗?

  王广利:嫦娥一号于2007年10月24日发射成功,在轨运行494天,2009年3月受控撞月。嫦娥一号上面放了很多科学设备,通过这些设备,我们解开诸如探测月球上的泥土是怎样的,挖下去有多深,月球表面的空间环境如何等等这些问题的答案。

  嫦娥二号于2010年10月1日成功发射,首次实现对4179小行星探测,它后来就在太阳系里转,现在已经成为太阳系卫星,环绕太阳飞行。

  嫦娥三号于2013年12月14日安全软着陆,12月15日两器分离。嫦娥三号成功着陆月球表面后,释放了月球车玉兔号,这是人类继美国的阿波罗号和苏联的月球号任务的37年以来再一次成功完成着陆器和月球车的软着陆。嫦娥三号着陆于平坦的雨海北部,着陆区后被命名为“广寒宫”。

  嫦娥四号探测器于2018年12月8日成功发射,2019年1月3日在月球背面南极•艾特肯盆地软着陆,并实现巡视器、着陆器环拍,主要载荷成功开机,各项科学探测工作有序开展。目前四号探测器仍在月球工作中,有意思的是,它一个月只干十几天的活,月球上的一个昼夜大约是地球上的4个星期左右,也就是半个月白昼,半个月黑夜,由于没有空气和云层阻隔,白昼温度可达127℃,黑夜下降到-183℃,所以它在黑天的时候以及正午太阳直射的时候因为太冷或太热,需要“休眠”。

  嫦娥一号发射的时候绕了地球很多圈,最后才跑到月球上去,又围绕月球转了几圈才降临轨道。这是我国第一次向深空发射卫星,所以要像小孩子学走路一样,一小步一小步地往前走。嫦娥二号发射时有经验了,直接跑到月球附近,但是不放心,还是绕月球兜了几个圈子。嫦娥三号发射时技术已经很成熟了,从发射到软着陆,只用了十三天。嫦娥四号首次成功登陆月球背面,开展巡视探测任务,在世界上影响很大。

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(王广利与中国探月工程总设计师吴伟仁院士)

  盟宣:为什么嫦娥四号要选择在月球背面着陆呢?

  王广利:因为没人去过。月球围绕地球转一圈约27天,自转一圈也是约27天,所以我们从地球上看,永远只能看到月球迎着地球的一面,即正面。以前所有的探月卫星都是从正面降落的,我们就是要做前人没有做过的事情。

  盟宣:那么着陆点为什么会选择南极•艾特肯盆地?

  王广利:嫦娥四号着陆点位于月面东经177.6度、南纬45.5度附近,南极•艾特肯盆地,之所以名称前面加上“南极”,是因为盆地边缘到南极了,很大。盆地直径约2240公里,深13公里,地球上最深的马里亚纳海沟也才11公里。着陆点选择这么深的地方,是考虑到深的地方可能会有水。现在人类在外星球探测的主要目的之一是找水,有人过去就需要有水。嫦娥四号是嫦娥三号的备份星,与嫦娥三号的着陆点几乎是月球两面对称的地方。值得一提的是,两个探测器在着陆过程中的动力下降过程是不同的:嫦娥三号是斜着下来的,嫦娥四号是垂直下来的。为什么呢?嫦娥三号在月球正面,我们一直能看见它,边走边看,随时调整。而嫦娥四号在月球背面我们看不到,所以要先在很高的上面,看清楚了直接往下落。

  盟宣:既然看不到,如何确保探测器能在月球背面成功着陆?

  王广利:需要先发射一个转发星,也就是中继星。中继星可以同时看到地球和月球背面。月球背面的信号转到中继星,中继星再转发到地球上去。如同所有深空飞行器一样,嫦娥四号发射后并不是自主飞行的,需要全程测控保障,特别在进入使命轨道前。测控网基本技术就是测距测速+VLBI(ΔDOR)。

  嫦娥四号包括中继星和探测器两次发射任务。鹊桥号中继星于2018年5月21日发射后,VLBI开展了为期三周的每天实时测轨工作以及后续平均每周两次的轨道维持观测。2018年12月8日探测器发射前,VLBI总共开展了75次观测,每次持续约10小时。探测器发射后到2019年1月3日月球背面着陆以及1月13日之前的第一月昼每日开展探测器的实时观测任务。其中有15天开展中继星和探测器观测。任务期间,VLBI各测站观测正常,VLBI中心数据处理正常,网络数据传输正常,VLBI各项测量指标都满足要求。

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  盟宣:我们知道,VLBI(Very-long-baseline interferometry缩写,甚长基线干涉测量)简单来说就是使用多个天文望远镜,同时观测一个天然的射电天体或有无线电信标的人造天体,相当于一个巨形望远镜获得的观测效果。那么VLBI又是如何为嫦娥四号成功实现月球背面着陆保驾护航的呢?有哪些技术上的突破?

  王广利:测控能力是一个国家深空探测能力的最直接显示。由中国科学院上海天文台牵头承担,国家天文台、新疆天文台和云南天文台参加的探月工程VLBI测轨分系统,圆满完成了中继星和探测器的轨道测量任务,为探测器在月球背面成功着陆提供了重要保障,做出了重要的贡献。

  为了完成嫦娥四号任务,VLBI测轨分系统实现了很多新的技术突破:

  首次在我国首次创新性使用S波段ΔDOR技术。针对嫦娥四号中继星任务特点,灵活设计以避开对微卫星、科学载荷的频率互扰,研制了S波段ΔDOR数据处理系统,优化电离层误差修正模型,并采用测站S波段无线电干扰抑制技术,各项测量指标优于工程任务要求。

  首次实现地月拉格朗日L2点Halo轨道中继星精密定轨。嫦娥四号中继星在地月拉格朗日L2点Halo轨道长期驻留,轨道周期长,动力学约束弱,轨道参数相关性强,轨道机动频繁的特点,精心设计定轨策略,优化分析模型,确保嫦娥四号中继星定轨预报精度满足工程任务指标要求。

  嫦娥四号探测器、中继星分时观测快速切换技术。在嫦娥四号探测器实时任务期间同时存在对中继星的VLBI测轨需求。VLBI测轨分系统在不具备开展动态双目标同时观测的技术能力下,提出分时观测解决方案。通过精化测量方案,改进软件接口设计,优化数据处理流程,并结合任务前的反复演练,保证分时观测的可靠性。在总计15次分时观测任务中成功实现了两个观测目标在规定时间内的观测任务转换,为满足探测器和中继星的测轨要求做出了重要贡献。

  国内首次实现中继星天线在轨标定技术。利用天马65米射电望远镜在我国首次实现嫦娥四号中继星4.2米天线指向的在轨标定。任务期间天马站共完成了7次在轨标定任务,实际测量和解算了在轨天线指向偏差,测量和解算综合误差优于0.01度,为嫦娥四号中继通信做出了关键贡献,并为后续类似任务打下良好基础,并得到了嫦娥四号工程总体的高度评价。

  盟宣:最后,请您简单讲讲,通过这么多年来的探月活动,我们都知道了些什么,或者说有哪些收获呢?

  王广利:收获很多。我们近距离地看月球,看到了从地球上看不到的东西,看到了月球表面是什么样的。比如月球表面遍布碎石和尘土,像沙漠一样,而比戈壁滩更为糟糕的是,一脚踩上去尘土飞扬,所以仪器在月球上降落的时候,防尘是非常重要的。

  人类还在月球上放了月面激光反射棱镜。棱镜的特点是光线打过去原路返回。从地球向月球打激光,激光再返回地球,通过打出去和回来的时间差,测出地球和月球之间的准确距离,这就是“激光测月”。通过计算,我们把月球绕着地球转的轨道测算的非常清楚,38万公里可以精确到厘米。

  我们在月球上还摆放了月震仪和测月雷达,可以发现月球内部的构造。不同的物质发射不同的频谱,通过这一原理,我们得到月球表面铁元素、钛元素、氢元素等元素的含量。如月球正面的铁元素和钛元素含量比较高一些。

  通过卫星的雷达测算,还可以知道月面地形是高低起伏的。

  我们还知道月球上在南极北极深坑的地方是有水的,水以冰的形式存在。水可以电解出氧气,人类想在外星球生存需要大量的水和氧气。我们相信,随着科学技术的不断发展,去月球就是一场说走就走的旅行。

2019-05-31 16:40 作者:殷志敏