“明月幾時(shí)有？把酒問(wèn)青天。不知天上宮闕，今夕是何年。”
每逢中秋佳節(jié)，人們總不禁會(huì)遙想起中國(guó)古代神話里那位久居月宮的女子——嫦娥。也正因此，中國(guó)人將自己的首個(gè)探月工程命名為“嫦娥工程”，以此寄托對(duì)探索月球的無(wú)盡向往。
作為國(guó)家重大科技專項(xiàng)，“嫦娥工程”是我國(guó)在發(fā)展人造衛(wèi)星和載人航天之后，空間科學(xué)和技術(shù)發(fā)展史上的第三個(gè)里程碑。在將“嫦娥”姐妹送往月宮的征程中，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心在連接科學(xué)家、工程總體、探測(cè)器系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)及有效載荷單機(jī)過(guò)程中，發(fā)揮了不可替代的橋梁與紐帶作用。
作為主要參研單位之一，空間中心相繼承擔(dān)了嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)及正在進(jìn)行中的月球與深空探測(cè)相關(guān)任務(wù)的有效載荷論證、總體設(shè)計(jì)和實(shí)施、多臺(tái)有效載荷單機(jī)研制和國(guó)際合作工作，以及嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星“鵲橋號(hào)”搭載的兩顆微衛(wèi)星的科學(xué)任務(wù)提出、有效載荷研制和數(shù)據(jù)處理等工作。
鑄首星 打破空白
2007年10月24日，嫦娥一號(hào)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空。正是這顆衛(wèi)星的豪情遠(yuǎn)赴，讓中華民族邁出了“奔月”的第一步。
在此次嫦娥一號(hào)任務(wù)中，空間中心除了負(fù)責(zé)衛(wèi)星有效載荷的技術(shù)和管理總體工作外，還開(kāi)展了微波探測(cè)儀、空間環(huán)境探測(cè)、有效載荷數(shù)據(jù)管理以及有效載荷地面綜合電測(cè)的研制工作。
空間中心提出和研制的微波探測(cè)儀由微波接收機(jī)單元、微波數(shù)管單元、低端觀測(cè)天線、高端觀測(cè)天線組合、低端定標(biāo)天線、高端定標(biāo)天線組合、微波電纜組件7臺(tái)設(shè)備組成，主要任務(wù)是對(duì)月壤的厚度進(jìn)行估計(jì)和評(píng)測(cè)。
其中，高端觀測(cè)天線組合包括3種頻段，它和低端觀測(cè)天線一起接收微波輻射信號(hào)；低端定標(biāo)天線和高端定標(biāo)天線組合的頻段與觀測(cè)天線相同，主要起到定標(biāo)作用，它們都連接到微波接收機(jī)單元上，由微波接收機(jī)單元進(jìn)行相應(yīng)的探測(cè)信號(hào)處理；微波數(shù)管單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)提供電源、控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。值得一提的是，此次也是國(guó)際上首次利用被動(dòng)微波遙感手段對(duì)全月表面進(jìn)行探測(cè)。
空間環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)探測(cè)地月和近月的空間環(huán)境參數(shù)，它由太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器、太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器A、太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器B三部分組成。
其中，太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)衛(wèi)星軌道空間的高能帶電粒子成分、能譜、通量和隨時(shí)間的變化特征，為研究太陽(yáng)耀斑及太陽(yáng)宇宙線服務(wù)；太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器則用于探測(cè)太陽(yáng)風(fēng)等離子體的能譜，即太陽(yáng)風(fēng)等離子體的能量分布函數(shù)，從中引出平靜和高速太陽(yáng)風(fēng)等離子體的特征量，如太陽(yáng)風(fēng)的體速度、離子溫度以及數(shù)密度等。
有效載荷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)則堪稱是整個(gè)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星有效載荷供配電、數(shù)據(jù)管理傳輸和控制的核心，它由載荷配電器、總線控制器、遠(yuǎn)置終端、大容量存儲(chǔ)器、高速多路復(fù)接器5臺(tái)星上設(shè)備組成。
其中，載荷配電器負(fù)責(zé)為有效載荷和數(shù)管設(shè)備供配電；總線控制器是有效載荷的控制中心，控制和管理1553B數(shù)據(jù)總線通訊；大容量存儲(chǔ)器存儲(chǔ)全部有效載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)，并對(duì)成像光譜儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮；高速多路復(fù)接器負(fù)責(zé)各種科學(xué)數(shù)據(jù)的復(fù)接、信道的糾錯(cuò)編碼、傳輸數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)化和傳輸幀的形成，其輸出數(shù)據(jù)流經(jīng)S波段數(shù)傳發(fā)射機(jī)下行。
空間中心研制團(tuán)隊(duì)打造的另一個(gè)分系統(tǒng)——有效載荷地面綜合電測(cè)系統(tǒng)，是探月工程有效載荷分系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，是支持有效載荷系統(tǒng)桌面電性能聯(lián)試和參加衛(wèi)星整星測(cè)試的專用設(shè)備，用于檢測(cè)星載有效載荷設(shè)備的功能、工作狀態(tài)及與衛(wèi)星系統(tǒng)的匹配和協(xié)調(diào)工作能力。在有效載荷系統(tǒng)桌面聯(lián)試中，該設(shè)備是系統(tǒng)級(jí)電性能的主要測(cè)試工具；在衛(wèi)星系統(tǒng)電性能測(cè)試中，該設(shè)備又是衛(wèi)星測(cè)試設(shè)備的專用測(cè)試設(shè)備之一。
著續(xù)篇 保駕護(hù)航
2009年3月1日，嫦娥一號(hào)撞向預(yù)定地點(diǎn)月球豐富海，宣告自身使命的正式完成。2010年10月1日，在舉國(guó)歡度國(guó)慶佳節(jié)之際，中國(guó)第二顆探月衛(wèi)星嫦娥二號(hào)成功發(fā)射升空，順利進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。
嫦娥二號(hào)作為探月工程二期的先導(dǎo)星，在嫦娥一號(hào)備份星的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性改造。根據(jù)任務(wù)要求，除大容量存儲(chǔ)器為全新研制的設(shè)備外，其余由空間中心研制的微波探測(cè)儀、空間環(huán)境探測(cè)器、有效載荷數(shù)管的其他設(shè)備，均根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行了適應(yīng)性改造。
鑒于嫦娥二號(hào)大容量存儲(chǔ)器相比嫦娥一號(hào)的存儲(chǔ)容量提高了3倍，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理速率提高了100多倍，因此如果沿用嫦娥一號(hào)的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)起來(lái)雖然簡(jiǎn)單，但體積、重量會(huì)成倍增加，功耗也會(huì)成幾十倍增加。
因此，在研制進(jìn)度非常緊張的情況下，空間中心研制團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，突破多項(xiàng)新技術(shù)，最終在存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)處理速率大幅提高的同時(shí)，使得存儲(chǔ)器的體積和重量增加不到60%，功耗僅增加1倍。
在2013年12月發(fā)射成功的嫦娥三號(hào)任務(wù)中，空間中心承擔(dān)的器上設(shè)備包括著陸器有效載荷電控箱和巡視器有效載荷電控箱。
研制團(tuán)隊(duì)對(duì)兩器上搭載的各載荷的電控箱進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，通過(guò)集成一體的載荷電控箱，實(shí)現(xiàn)了有效載荷工作模式控制和數(shù)據(jù)處理，從而使著陸器有效載荷統(tǒng)一于著陸器數(shù)管分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)接口，巡視器有效載荷統(tǒng)一于巡視器綜合電子分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)，并可適應(yīng)其他新增的工作模式控制和數(shù)據(jù)處理需求。
在具體思路上，空間中心研制團(tuán)隊(duì)從減少重量、降低功耗、減小體積、提高可靠性的目標(biāo)出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠的載荷電控箱系統(tǒng)資源共享，取代了多個(gè)利用率低的電控箱，滿足了有效載荷的功能、性能和可靠性要求，有效降低和減少了重量、功耗和體積，同時(shí)解決了有效載荷系統(tǒng)面臨的技術(shù)新、進(jìn)度緊等問(wèn)題。
另外，除了在有效載荷方面為探月工程提供技術(shù)支撐之外，空間中心還在嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)飛控和在軌過(guò)程中，對(duì)發(fā)射運(yùn)行期間的空間環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)視、分析和預(yù)測(cè)，評(píng)估了各種空間環(huán)境要素對(duì)飛行器可能產(chǎn)生的影響；發(fā)布了空間環(huán)境的中期、短期預(yù)報(bào)和警報(bào)，為發(fā)射、奔月、繞月、落月工作提供了空間環(huán)境保障支撐。
搭“鵲橋” 連通地月
2018年5月21日清晨5點(diǎn)28分，嫦娥四號(hào)中繼通信衛(wèi)星“鵲橋號(hào)”和搭載的兩顆微衛(wèi)星（龍江一號(hào)、二號(hào)）在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。按照計(jì)劃，“鵲橋號(hào)”將飛過(guò)月球，最終到達(dá)地月拉格朗日L2點(diǎn)，最遠(yuǎn)距離地球約46萬(wàn)公里。
在此次任務(wù)中，龍江一號(hào)、二號(hào)分別攜帶了一臺(tái)超長(zhǎng)波射電干涉儀，其將在月球背面進(jìn)行觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，這兩臺(tái)超長(zhǎng)波射電干涉儀會(huì)在空間形成一個(gè)可變基線的二元干涉儀系統(tǒng)，通過(guò)兩顆微衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分時(shí)采樣形成空間頻率域各種長(zhǎng)度和方向的干涉基線。
這次實(shí)驗(yàn)可謂意義重大，它不僅是國(guó)際上首次開(kāi)展的超長(zhǎng)波頻段的干涉實(shí)驗(yàn)，同時(shí)它的成功也將為下一步采用多個(gè)微衛(wèi)星、效率更高的編隊(duì)方案、更短的時(shí)間內(nèi)完成采樣覆蓋，獲得全天超長(zhǎng)波背景圖奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
這兩臺(tái)超長(zhǎng)波射電干涉儀由可展開(kāi)三正交偶極子天線、高穩(wěn)定接收機(jī)、數(shù)字處理單元以及星間通信、測(cè)距和時(shí)鐘同步一體化單元組成。作為此次科學(xué)任務(wù)的提出單位和有效載荷研制及數(shù)據(jù)處理的承擔(dān)單位，空間中心不僅與波蘭科學(xué)院合作完成了超長(zhǎng)波干涉儀天線的研制，更獨(dú)立完成了高穩(wěn)定接收機(jī)、數(shù)字處理單元以及星間通信、測(cè)距和時(shí)鐘同步一體化單元的研制。
從嫦娥一號(hào)豪情遠(yuǎn)赴，到如今嫦娥四號(hào)整裝待發(fā)，十余載，中國(guó)人的探月之夢(mèng)從未止步。
多年來(lái)，空間中心作為探月工程有效載荷總體單位，既是聯(lián)系科學(xué)家與有效載荷的橋梁，又充當(dāng)著聯(lián)系衛(wèi)星總體和有效載荷的紐帶，以有效載荷的技術(shù)狀態(tài)管理、產(chǎn)品保證質(zhì)量管理、計(jì)劃進(jìn)度管理為中心，為有效載荷各個(gè)研制單位提供了技術(shù)支持，同時(shí)在載荷與衛(wèi)星系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)之間，建立起有效的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制，從而確保高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高效率地完成有效載荷的研制任務(wù)。
在整個(gè)探月工程中，空間中心精心組織，團(tuán)結(jié)協(xié)作，在中科院院內(nèi)外兄弟單位的支持下，有效載荷總體的職能得到了充分的發(fā)揮，建立健全了各項(xiàng)工程研制的規(guī)章制度，其中軟件工程化管理體系更是走在了前列。空間中心繼承優(yōu)良傳統(tǒng)，敢于承擔(dān)艱苦任務(wù)，在突破了一個(gè)又一個(gè)難關(guān)的同時(shí)也鍛煉了隊(duì)伍、培養(yǎng)了人才，科學(xué)論證、頂層設(shè)計(jì)、工程實(shí)施等各方面能力得到進(jìn)一步提升。
空間中心為我國(guó)探月工程成功實(shí)施所作出的巨大貢獻(xiàn)也得到了高度認(rèn)可。
2007年，空間中心榮獲“繞月探測(cè)工程突出貢獻(xiàn)單位”稱號(hào)；2008年獲繞月探測(cè)工程“國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)”；2009年獲繞月探測(cè)工程“國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)”；2010年獲“探月工程嫦娥二號(hào)任務(wù)突出貢獻(xiàn)單位”稱號(hào)；2011年獲中華全國(guó)總工會(huì)頒發(fā)的“全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)狀”；2011年獲嫦娥二號(hào)工程“國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)”；2012年獲嫦娥二號(hào)工程“國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)”；2014年獲全國(guó)總工會(huì)頒發(fā)的“全國(guó)工人先鋒號(hào)”；2015年獲嫦娥三號(hào)工程“國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)”。■