□ 江山

9月6日深夜，美國軌道科學公司的“人牛怪”5運載火箭在美航宇局位于沃洛普斯島上的沃洛普斯飛行設施發(fā)射了美航宇局的“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”（LADEE）。這是“人牛怪”5火箭的首次發(fā)射，也是沃洛普斯飛行設施首次用來發(fā)射深空探測器。項目耗資2.8億美元。“人牛怪”5是“人牛怪”4的衍生型號，由退役彈道導彈改裝而成，為了能夠執(zhí)行靜地轉移軌道和行星際發(fā)射任務加裝了一個上面級。

細說LADEE

LADEE探測器是由艾姆斯中心設計、研制、建造、總裝和測試的首個航天器。發(fā)射后，它被送入近地點200千米、遠地點27.8萬千米、傾角37.65度的大橢圓軌道，將用約30天時間進入月球軌道，再花40天時間進行測試，隨后用100天時間開展探測任務，研究月塵、月球大氣和月面附近的條件。項目科學家稱，LADEE本可以用更短的時間飛抵月球，但那樣會消耗掉過多的燃料。為了能完成100天的預定科學探測，探測器需要節(jié)省燃料。由于月球引力存在起伏，探測器軌道將在20千米～60千米之間變化，需要用大量的燃料來保持軌道的穩(wěn)定。探測任務結束后，探測器將降低軌道，并最終墜毀在月面上。

該探測器采用“模塊式通用航天器公用艙”（MCSB）多用途平臺建造，重383千克。該平臺結構由輕質碳復合材料制成。它還可供未來的其它探測任務使用，包括月球軌道與著陸探測任務、低地軌道任務和近地天體探測任務。艾姆斯中心LADEE項目經(jīng)理海因說，這種創(chuàng)新性通用平臺方案使美航宇局向擺脫定制式設計、轉向采用多用途設計和組裝線生產(chǎn)方式又邁進了一步。他說，LADEE項目表明，在采用更加高效的制造與組裝程序的同時以較低的成本來建造一流的航天器是可能的。

LADEE探測器上裝有3臺科學儀器和一臺技術驗證裝置?！白贤馀c可見光光譜儀”（UVS）將分析月球物質的光學特征，以認識月球大氣成分?！霸聣m實驗儀”（LDEX）將采集并分析大氣中的月塵，并將幫助美航宇局科學家揭開一個秘密，那就是因太陽紫外線照射而帶電的月塵是否是造成阿波羅登月航天員所看到的日出前地平線閃光的原因?！爸行再|譜儀”（NMS）將在多圈飛行過程中觀測月球處于不同空間環(huán)境時其大氣的變化。“月球激光通信驗證”（LLCD）作為技術驗證裝置，將試驗利用激光同地面控制人員進行通信，通信能力類似于地面上的高速光纖網(wǎng)絡。

“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”在軌概念圖

LADEE攜帶的科學儀器

LLCD技術驗證任務將采用一臺高度可靠的紅外激光器。利用該系統(tǒng)，LADEE探測器將以每秒數(shù)百兆個短光脈沖的形式把數(shù)據(jù)傳送到新墨西哥州、加州和西班牙的三個地面站之一。它的真正難點在于在運動中把極窄的激光束精確地指向約38萬千米之外的地面站，否則就會導致信號丟失或通信中斷。這相當于高爾夫球手從近8千米外一桿進洞。為此，麻省理工學院林肯實驗室研制人員設計了一種很復雜的系統(tǒng)來消除探測器上最細微的振動。LLCD任務還將為美航宇局擬在2017年發(fā)射的“激光通信中繼驗證”（LCRD）任務探路。LCRD任務將驗證靜地中繼衛(wèi)星同地面進行激光通信的遠期可行性。工程技術人員認為，未來空間任務將能利用重量輕、功率要求低的激光通信技術來提高實時通信和三維高清電視的數(shù)據(jù)質量。例如，采用LADEE探測器上的S波段通信設備下載一部普通高清電影要花639個小時，而采用LLCD技術將只需不到8分鐘。

技術人員正在對探測器進行測試

控制大廳

起步遇上小麻煩

同火箭分離后，LADEE就遇到了一點麻煩。探測器上的計算機在發(fā)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定用的反作用輪電流過大后將它們關掉。但美航宇局 9月7日即宣布反作用輪已恢復工作，稱電流過大是因為探測器試圖利用反作用輪來消除星箭分離后過度的自旋，而計算機將它們關掉則是出于預先設置的故障防護機制，是為了保護反作用輪的安全。美航宇局說，導致反作用輪關閉的限制已被取消，反作用輪故障防護功能已被有選擇地重新啟用。艾姆斯研究中心主任沃登說，跡象表明，反作用輪本身并不存在任何問題。另外，即使反作用輪存在嚴重問題，探測器上也有備份方案可用，即改用推力器來控制方向，但這會消耗探測器上本就十分寶貴的推進劑。為簡化設計和提高耐受能力，LADEE發(fā)電用的太陽能電池板貼在其外表面上。上述姿控問題的出現(xiàn)證明了這種設計的明智。采用展開式太陽能帆板的其它任務必須指向太陽才能發(fā)電，若姿控突然出現(xiàn)問題有可能帶來災難性后果。

肩負探測月球大氣重任

美國此前已向月球發(fā)射了眾多探測器。美航宇局的“先驅者”4探測器于1959年進行了美國首次成功的月球飛越飛行。但在上世紀60年代～70年代向月球發(fā)射了各類探測器并開展了阿波羅載人登月項目后，美在1994年發(fā)射“克萊門蒂娜”軌道探測器之前就再也沒發(fā)射過月球探測器。2011年，“月球偵察軌道器”發(fā)回了當時最為清晰的月球圖像。目前仍在月球軌道上運行的該探測器極大地加深了對月面的認識。同年，兩個“重力恢復與內部實驗室”（GRAIL）探測器發(fā)射，對月球內部構造進行了探測。這兩個探測器于2012年12月對月球進行了有意撞擊。該局主管科學任務署的副局長格倫斯菲爾德稱，“月球偵察軌道器”和GRAIL已分別對月面和月球內部進行了探測，但月球大氣卻仍很神秘，科學家對其知之甚少，而LADEE將會改變這一局面。

美航宇局官員在一份資料中稱，人類已知地球大氣中有氧，但卻并不掌握月球大氣的成分。為認識月球大氣的構成，LADEE將潛入月球大氣中，利用儀器把詳細的測量數(shù)據(jù)發(fā)回地球，供科學家進行分析。月球大氣要比地球大氣稀薄得多?？茖W家懷疑它大約只有地球大氣密度的10萬分之一，所以被看作是真空。由于大氣極為稀薄，月球陽面溫度高達134攝氏度，而陰面溫度則低達零下153攝氏度。太陽系許多衛(wèi)星、行星和某些大型小行星都有這種稀薄的大氣，使這種大氣成為太陽系中最常見的大氣形式。研究月球大氣可幫助科學家更好地認識太陽系眾多其它天體的大氣性質，包括水星這顆距太陽最近的行星。LADEE計劃科學家諾布爾說，人類已經(jīng)知道月球表面上巖石的情況，但LADEE將有助于拿月表成分同月球大氣成分進行對比，而這又將有助于反過來通過所了解的水星大氣成分來認識水星表面成分。

“人牛怪”5發(fā)射升空

“人牛怪”5火箭

“人牛怪”5火箭基本上是在“人牛怪”4的基礎上加裝一個第五級形成的?！叭伺９帧?四級火箭于2010年開始發(fā)射。同“人牛怪”4一樣，“人牛怪”5的前三級采用退役“和平衛(wèi)士”洲際彈道導彈的固體發(fā)動機。它的第四和第五級采用的是商用“星”發(fā)動機，也是經(jīng)過飛行使用驗證的發(fā)動機。發(fā)射LADEE的“人牛怪”5火箭全長24.6米，直徑2.3米，重約89.4噸。按軌道科學公司的一份資料，“人牛怪”5能把重達340千克的有效載荷發(fā)往月球轉移軌道，地球同步轉移軌道運載能力為630千克。

自2000年以來，“人牛怪”系列火箭已成功發(fā)射23次。該系列火箭是美國軌道科學公司根據(jù)與美國空軍簽訂的合同而研制的，旨在降低美國軍用航天計劃的成本。美國空軍監(jiān)管“人牛怪”計劃，而軌道科學公司為“人牛怪”的總承包商和運營商。

軌道科學公司2009年贏得LADEE發(fā)射合同時費了些周折。本來美航宇局的政策是在執(zhí)行科學探測任務時盡量選擇商業(yè)發(fā)射機會，但當時很難找到合適的商業(yè)發(fā)射機會。軌道科學公司的飛馬座和金牛座火箭對LADEE來說運載能力太小，難以勝任；而運載能力強的火箭如宇宙神5又大材小用了。面對這種兩難的境地，美航宇局找到美國空軍尋求使用“人牛怪”5來擔此重任。事實上，早在10年前著手設計“人牛怪”時，技術人員就考慮通過改變一些配置使其具備發(fā)射月球探測器的能力。這次發(fā)射之所以選擇沃洛普斯作為發(fā)射場則是因為這里已經(jīng)擁有“人牛怪”發(fā)射設施。

LADEE正在進行旋轉試驗

在廠房進行安裝

LADEE在艾姆斯研究中心進行測試

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最新進展

經(jīng)過一個月的飛行，10月6日美國航宇局“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”（LADEE）進行了一次發(fā)動機點火工作，正式進入繞月球運行的軌道。美航宇局艾姆斯研究中心一位發(fā)言人此前曾表示，雖然美國政府關門讓美航宇局的工作基本上全面告停，但由于該探測器正處于其飛行的一個關鍵階段，相關操作工作并未受到影響，美航宇局的政府關門應對方案已讓該局絕大多數(shù)雇員休假，但準許該局繼續(xù)管護已在天上飛行的航天器，包括LADEE和國際空間站。

LADEE在進入月球軌道前已沿橢圓軌道繞地球飛行了3圈，每圈飛行軌道高度都有所提升。待到達足夠高的軌道后，月球引力便會占據(jù)主導作用，探測器通過讓發(fā)動機點火工作便可轉入月球軌道。探測器接下來還需進行兩次月球軌道進入機動，把軌道高度降到250千米，隨后啟動為期約1個月的測試階段，科學家將試驗探測器上搭載的激光通信設備。測試階段完成后，探測器將啟動100天的科學探測工作，探測月球大氣和月塵的奧秘。