嫦娥5號發射前出動3艘測量船，比美國差在哪？

2020-11-22 老粥科普

11月底，大家翹首以盼的嫦娥5號探測器將由長徵5號火箭託舉升空，奔向40萬公裡外的月球。嫦娥5號將進行月球著陸、深達2米的鑽探採樣，並將月球巖石和土壤樣本送回地球，這是自1976年前蘇聯Luna-24探測器從月球採樣170克月壤以來，時隔44年人類的又一次月球採樣活動。

留意新聞的朋友一定注意到，在長徵5號運載火箭發射前，我們已經連續派出了遠望5號、6號和遠望3號航天測量船奔赴大洋，為此次嫦娥5號任務提供遙測和通信支持。也就是說除了正在維護改造的遠望7號，我們出動了所有的大型遠洋測量船，這是近年來少有的舉動。

遠望3號測量船

有朋友提出這樣的疑問：我們的北鬥衛星導航系統已經組網成功，天鏈衛星也已經投入使用，為什麼現在發射太空飛行器還要依靠落後的測量船？美國早就不需要測量船了，是不是說他們比我們先進得多？

測量船曾經是航天發射的必備

在許多人的印象裡，航天發射就是「5-4-3-2-1-點火」，火箭噴射著炙熱的火焰將衛星或飛船託舉升空，控制中心大屏幕裡顯示出它的軌跡，然後就成功了。其實發射火箭遠不是我們看到的這麼簡單，更不是射完就了事，火箭的軌道設計以及發射之後精確的跟蹤測量與控制才是決定發射成敗的關鍵。

長徵5號火箭發射

1969年7月，NASA用阿波羅11號飛船將三名太空人送到月球，其中阿姆斯特朗和奧爾德林成功登陸月球。為了實現這次偉大的航行，早在1964年，美國人就已經在全球各大洲建設了28個衛星通信站和多部直徑達9.15米的衛星天線。儘管有了這麼多站點，但還是有許多地方無法覆蓋，於是美國又將一些大型貨船裝上雷達天線改造成航天測控船，放在太平洋、印度洋和大西洋上，其中代表性的是「紅石號」和「水星號」。

美國「紅石號」測量船

美國前前後後一共建造或改裝了24艘測量船，是當之無愧的大戶。前蘇聯和俄羅斯共有3艘，其中最具代表性的是尤裡·加加林號測量船，這艘標準排水量達53500噸的巨艦為前蘇聯的航天以及探月事業做出了傑出貢獻。

前蘇聯「尤裡·加加林號」測量船

我國的大型航天遠洋測量船前後共造了7艘，現在服役的是遠望3、5、6、7號測量船。

隨著遙測技術的進步，發達國家部署航天測量船越來越少，另一個主要原因是航天大國美國在全球各地擁有了數以百計的衛星地面站，通過將這些站點聯成網絡，NASA和歐洲航天局可以有效地開展環繞地球軌道的衛星發射以及深空探測任務。

我們為什麼需要測量船？

一個簡單的道理：我們國內的衛星測控網絡很完善，但海外地面站非常缺乏，因此在進行某些航天發射的時候需要派測量船去彌補空白。

有朋友會問，我們的北鬥衛星導航系統已經組網成功，利用北鬥可以精確定位；同時我們的天鏈系統可以實現星地間通信，它們可以實現對嫦娥5號的測控和信號傳輸嗎？答案是否定的。

北鬥星座覆蓋了地球表面和低軌道

當發射近地軌道衛星時，由於它的軌道距離地面大約在200~2000公裡高度，基本處於北鬥衛星信號的覆蓋範圍，因此只要衛星上攜帶了相關的信標和設備，依靠北鬥衛星進行導航看起來問題不大。事實上，我們在發射大部分對地遙感衛星時也並沒有派出遠望測量船。

但對於靜止軌道衛星、月球軌道以及更遙遠的深空探測任務，遙測的角度和距離就遠遠超出了北鬥衛星所能覆蓋的範圍。

夜空中的月亮看起來很近，實際上它與地球的平均距離達38萬公裡，因此你看到這樣的圖像往往是錯誤的：

這是個錯誤的示意圖

事實上如果完全按比例來顯示地球與月球的距離，你會看到它們之間其實非常遙遠。嫦娥5號將要執行的一項關鍵任務是月面採樣返回，這要求著陸器上升段與月球軌道器在無人狀態下精準交匯對接、軌道器點火脫離月球引力返回地球，在此過程中需要進行地面測控。在下面這張等比例圖片裡，絕大多數的衛星幾乎是貼著地球在飛，因此指望這些衛星去給嫦娥5號導航不現實。

地球與月球相距遙遠

為了準確跟蹤嫦娥5號的飛行軌道，及時調整軌道參數，我們需要從地面上的大型雷達天線向太空飛行器發射電磁波和相關指令，再通過返回的電磁波來計算太空飛行器的位置、角度和前進速度。

一個棘手的問題是，月球繞地球公轉一圈大約是28天，而地球每24小時就自轉一圈，因此地球上任何一點朝向月球的時間是有限的，為了時刻接收到來自月球的信號，就需要在地球上多個地點設置雷達天線。

中國在阿根廷的衛星地面站

我們在阿根廷建設了衛星地面站，在歐洲和非洲也有合作運營地面站，歐洲航天局也將在西半球提供發射及返回階段的地面遙測支持。但在廣闊的太平洋上我們還缺乏衛星遙測設施，這就需要用遠望測量船來承擔遙測任務。

歐洲航天局將為嫦娥5號提供支持

目前遠望5號正在太平洋上執行天通一號02星的測控任務，它應該會被部署到東太平洋；遠望6號船於11月13日出發，它的預定陣位是菲律賓以東的太平洋海面；遠望3號於11月19日出發，按照它18節的巡航速度，到長徵5號發射窗口，它應該能航行8000公裡，到達夏威夷附近海域執行任務。

遠望5號在航行中

總結：

在嫦娥5號發射入軌、月面著陸、採樣、月球軌道交會對接，以及返回任務的全過程都需要實時精準地遙測和遙控，因此它需要有多臺強大的衛星天線時刻緊盯。

北鬥衛星定位系統的衛星主要分布在地球中高軌道，它覆蓋的範圍主要是地球表面以及低軌道的太空，無法為高軌道和月球上的太空飛行器提供定位和導航服務。

我們目前無法做到像美國那樣在全球設置衛星地面站點，為了對嫦娥5號進行精準測控，就需要在太平洋上部署幾艘航天測量船，通過與國內及海外地面站的相互配合，圓滿完成嫦娥5號「繞、落、回」的壯舉。

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