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在轨归零!惊心动魄48h,中国探月首次危机,嫦娥一号的外国芯片

2025-01-23 8 yuneu

中国探月工程已经进入第四期,月球软着陆、月球采样返回、月背软着陆、月背采样返回,一次比一次成功,在世界各国的对比下,更是遥遥领先。

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但当回望中国探月开始的年代,那时的我们,举目四望,心中却只有焦虑。

20世纪90年代,国际上掀起了第二波探月高潮。

1990年,日本成功发射首颗月球探测器“飞天号”,携带探月子卫星“羽衣号”。

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1994年,美国时隔多年,再次发射月球探测器,取名“克莱门汀号”,率先测量了月球的大概水分布。

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2003年,欧洲也发射了自己的首个月球探测器SMART-1,是世界上第一个使用太阳能离子发动机的探测器。

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2007年,日本发射第二个月球探测器“月亮女神号”,一个主探测器,两个子卫星,对月球矿产分布进行了高精度的探测。

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中国探月,就是在这样紧迫的世界背景下,艰难起步的,当时,我们确确实实是处在奋起直追的状态。

但就是这样紧迫的情况下,初步的探月计划,还是经历了先后两次否决。


1990年3月,长征三号甲火箭获国家重点项目立项。

火箭研发进度相当顺利,很快来到了首飞阶段。

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但当时我们没有如今这样多的发射任务。

首飞,不可能一上来就发射用户的通信星,也不可能空载单独发射一颗火箭。

而受当时日本成功探月的刺激,一批航天专家,就产生了借助长三甲首飞,顺便发射探月卫星的想法。

在他们的设想里,卫星可以简化到极致,只要带上中国旗或者地图就行,至少先到达月球,把中国的印记留在月球上,卫星取名“探月1号”。

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为此,火箭专家召集了空间技术研究院、北京航空航天大学、西北工业大学等地的专家,反复探讨,最后把卫星设计为4吨,在长征三号甲的助力下,发射到近月轨道。

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考虑到国家科研经费不足的问题,科学家们还反复计算,最后将项目经费压缩到500万元以内。

但同时,也有一批科学家,看到方案后产生质疑,认为发射一个“铁疙瘩”,是头脑发热,没有长期规划的冲动行为。

最后,国家没有批准“长征3号甲运载火箭发射月球卫星的计划”,认为该方案的科学目标不系统、不明确,且没有连续性。

时间来到1992年,长征二号F立项。

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首飞定在1997年,计划发射神舟飞船。

但最后火箭研发较快,要先进行一次试验性发射,一些科学家又计划在这次发射上,搭载月球探测器。

这次的设计方案又进一步,确保硬着陆,争取软着陆。

探测器设计重量7吨多,月面着陆重量1.5吨。

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能向地面传回月球彩色图像,并在月表放置激光反射器,至少工作3小时,简单测量数据并传回结果。

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这一次,经费预算涨到了4亿,而且具体分析任务,国家还是认为,这个计划高度孤立,缺乏长期和有深度的科学探测目标,没有十分明显的科研价值,最终再一次否决了。

两次的否决,让心怀冲动的航天人冷静了下来,但也从此奠定了中国探月计划的总基调。

那就是“要有长远而明确的科学目标”!


早在1986年的3月3号,国家召集全国200多位科学家,讨论形成了《关于高新技术研究发展计划的报告》,也就是“863计划”。

而到了94年,863计划的内容之一——探月工程来到了论证阶段。

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也就是这时候,863计划的首席科学家们,加入了探月计划的讨论。

有了这些战略科学家的加入,这次的探月计划设计,从一开始,就抛弃了前两次“搭便车”,做项目附属品的思路,从至少20年-30年的长期考虑,工程设计和科学实现等细节都分配到具体的时间节点。

95年,欧阳自远等成功撰写《中国探月工程的必要性与可行性》研究报告。

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96年,空间技术研究院发布《月球卫星技术方案可行性研究》和《月球卫星工程关键技术研究》等报告。

97年,杨嘉墀、王大珩、陈芳允院士发表《我国月球探测技术发展的建议》。

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理论准备充分了,基础打牢了,探月计划于是开始了突飞猛进。

2002年,中国探月计划正式立项,我们熟悉的三步走战略同时确立。

计划2020年前无人月球探测,实现“绕落回”。

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2030年前,实现载人环月和登月。

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2050年前,建成月球基地。

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嫦娥任务也在这期间确立,探月第一发卫星被正式命名为“嫦娥一号”。


在探月卫星的选择上,结合任务载荷的实际需要,成熟先进的东方红-3卫星平台进入了科学家的视野。

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与地球卫星不同,探测月球的卫星,需要兼顾三个方向。

即面向地球的通讯与控制方向,面向太阳的能源方向,面向月球的探测方向。

三个方向的姿态控制必须能在卫星轨道的随时变化中,同时保持稳定。

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而东方红-3卫星平台,正是中国首个具备三轴稳定功能的卫星平台,相比以前的卫星,它能够在三个方向上互相独立调整姿态,不再需要一个方向的调姿之后繁琐的回稳动作。

于是,采用成熟的东方红-3平台,嫦娥一号的最终设计质量定为2吨多,寿命保守估计为1年。

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经试验,探测器如预期一样,成功实现了三体定向,能够确保工作状态下,探测器对月,太阳帆板对太阳,通信天线对地。

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2004年,嫦娥一号进入初样研制,这时候,一个决定未来我国探月工程走向的历史时刻也到来了。

就在这一年年末,当时的探月总指挥栾恩杰,在细致调研了探测器的各系统生产制造情况,分析了各系统厂家的具体制造细节后,敲定了探月卫星的制造要实行备份方案。

也就是说,生产一颗探月卫星的同时,就必须生产另一颗同型号、同功能的备份星

现在看来,这个决定,是我国探月工程后发先至,进展越来越快的关键。

嫦娥任务当中的双数星,嫦娥二号、嫦娥四号、嫦娥六号,在前一个任务星顺利完成计划的情况下,都得以超预期的执行了新的更大的科研任务。

嫦娥二号,前往700万公里深空,与图塔蒂斯小行星擦过。

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嫦娥四号,实现了人类首次月背软着陆。

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嫦娥六号,完成了世界首次月背采样返回。

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经过重重难关,嫦娥一号迎来了自己的发射时刻。

2007年10月24日,长征三号甲运载火箭将嫦娥一号送入地球轨道。

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长征三号甲主要用于发射地球同步轨道有效载荷,地球同步转移轨道运载能力2.65吨。

显然不足以一次性将2吨多的嫦娥一号送入地月转移轨道。

嫦娥一号升空后,需要再进行多次点火,轨道逐渐升级。

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24日发射后,嫦娥一号按计划在25日、26日和29日三次点火提升轨道。

但真正的危机也随之而来。

在29号和30号,进入48小时地球轨道时,嫦娥一号突然发生了单粒子锁定

单粒子锁定,是指单粒子在进入半导体器件后,在器件内部形成电荷聚集效应,形成局部电流,使得本来能够随指令变化的半导体器件产生锁定,甚至当电流较大时使设备永久受损。

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而嫦娥一号,多个子系统都是使用的三星的K6R4016C1D型芯片,而恰恰这款芯片由于设计缺陷,对单粒子锁定极其敏感。

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在发生单粒子锁定后,嫦娥一号的电路系统一下子瘫痪了,眼看就要被困在环绕地球的48小时轨道上。

一颗探月卫星,却成为一个地球上空的“死卫星”,这必将成为探月史上的笑柄。

由于没有经验,初次面对故障,单单能够猜测是遇到了单粒子效应,但具体是什么类型,如何应对,探月小组一筹莫展,指挥大厅只能先关闭了故障设备,现场也陷入一片死寂。

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单粒子效应,在当时的中国并不是热门课题。

但好在,总有人默默前行。

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早在2000年,中科院空间中心的韩建伟团队,在对空间抗辐射进行研究时,就发现了单粒子效应的巨大破坏性。

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考虑到未来我国的航天发展,必然会越来越多地面对这个问题,团队开始尝试利用激光脉冲的方式,在地面开展模拟试验。

经过不懈努力,在嫦娥一号发射的前一年,他们自行研制成功了中国第一台激光模拟单粒子效应设备

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指挥大厅此刻也是四处求助,问题详情第一时间送达了韩建伟团队。

他们立刻使用设备,输入数据,在问题发生的48小时之内,完整复现了嫦娥一号的故障。

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也就说,韩建伟团队的模拟情况,与太空回传数据一致,工程上已经可以认为实现了问题归零。

团队的处理方案也同时送回了指挥大厅。

他们判断,嫦娥一号确实发生了单粒子锁定,而且,通过重启故障设备的方式,已经在地面模拟试验中解决了单粒子锁定造成的故障。

此时,48小时就快到了,再晚一点儿,嫦娥一号的设备就将永久损坏,无法挽回。

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重启指令立即发往太空,1,2,3,几秒之后,大厅收到了嫦娥一号设备恢复正常的信号,探月最大危机终于解决了。

解决故障后,嫦娥一号继续奔月,由于我们的精度控制高,后续仅又调整了一次轨道,就进入了近月制动阶段。

历经17年反复,经历了惊心动魄的48小时,中国的第一个月球探测卫星,终于成功了。

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到2008年,嫦娥一号完成了全月测绘,根据嫦娥一号传回的数据,我国建立了月球地图、月球高程模型、月球重力分布模型,为后来的探月任务,打下了坚实的基础。

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在浩瀚无垠的宇宙中,中国的探月工程是人类探索太空的璀璨篇章。

做为序章的嫦娥一号,承载着无数国人的期望与梦想。

在那紧张的 48 小时里,每一分每一秒都充满了不确定性,这种巨大的压力我们难以想象。这不仅是一次技术上的考验,更是对中国探月工程的一次重大挑战。

好在,嫦娥一号成功度过了危机,在太空中成功谱写了中国探月史诗的完美开篇。

探索太空的道路充满了艰辛与坎坷,但也正是这些挑战,激励着我们不断前行。

我们的探月,从当初的奋起直追到如今的全球领先,必将永远激励着中国人冲向星辰大海的梦想。


参考文献:

《嫦娥奔月》——王金锋;

《中国的航天》白皮书(2000年版);

《迈向深空第一步》——胡浩,裴照宇;

《空间辐射环境危害综合监测原理样机研制》——马英起, 朱翔, 李宏伟, 张振龙, 韩建伟;

《脉冲激光诱发65 nm体硅CMOS加固触发器链的单粒子翻转敏感度研究》——李赛, 陈睿, 韩建伟, 马英起, 上官士鹏, 李悦, 朱翔, 梁亚楠, 王璇;

《关于高新技术研究发展计划的报告》——王大珩,王淦昌,杨嘉墀,陈芳允

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