新颖别致的嫦娥-3着陆器

嫦娥-3着陆器在月面工作示意图（神舟传媒 制）

嫦娥-3任务由探测器、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大系统构成，其中最引人注目的探测器系统由中国航天科技集团公司中国空间技术研究院为主承担，其有效载荷由中国科学院负责研制。它的宽度为4m、高有4.2m，发射质量3780kg，其中干质量1220kg。落月后，在测控系统和地面应用系统支持下，嫦娥-3携带的有效载荷开展科学探测。嫦娥-3由着陆器和巡视器（又叫玉兔号月球车）组成，其中的着陆器在嫦娥-3软着陆过程中起着举足轻重的作用，并装有2台在世界上首次应用的科学探测仪器。

1 着陆器性能优异

嫦娥-3的着陆器是我国成功开发的新型航天器平台，采用了梁板复合式结构和可大范围伸缩的四腿式着陆缓冲机构，设计了自主式、高精度的分段减速悬停式无人着陆控制方案,能够自动智能选定着陆点、进行精确悬停着陆，是我国迄今为止最复杂的航天器之一。

其质量为1080kg，设计寿命12个月，由结构与机构，着陆缓冲，制导、导航与控制，推进，热控，测控数传，定向天线，数据管理，一次电源，总体电路，有效载荷共11个分系统以及工程参数测量设备等组成，要掌握着陆自主导航控制、着陆变推力推进系统、着陆缓冲系统、月面生存热控系统等关键技术。

当嫦娥-3完成发射、飞行到达月球时，着陆器采取不同制导方式，从距月面15km处开始动力下降，经过主减速、快速调整、接近、悬停、避障、缓速下降等飞行阶段，实现路径优、燃料省、误差小的安全着陆。

在着陆器实现月球表面软着陆后，首先由着陆器为玉兔号月球车充电，对玉兔号进行初始化；之后，玉兔号与地面建立通信链路，控制连接解锁机构解锁，走上转移机构；接着，着陆器将控制转移机构运动到月面，玉兔号驶离转移机构，开始3个月的月面巡视勘察。

嫦娥-3探测器系统着陆器副总设计师张熇说：着陆器的功能是先实现地月飞行，然后软着陆到月面上，最后留在月面上开展就位探测。嫦娥-3与嫦娥-1、2最大的不同是动力下降段的着陆。着陆主要有三大关键技术需要攻克，一是着陆的自主导航控制；二是着陆的推进技术，我国首次采用了电功率发动机；三是着陆的缓冲技术。着陆器还涉及到其他一些关键技术，比如说发动机的羽流对探测器的影响。再有就是着陆的力学环境，因为最终着陆撞击月面，经过缓冲后还是会对设备带来一定的力学冲击，专家在做了大量的研究后，对着陆以后要工作的设备提出纠正力学环境条件考核，这个也是以前的航天器所没有遇到过的问题。另外一个关键技术就是月尘，月面上有一层薄薄的月壤，表面这层很细的月壤在着陆器的发动机的喷流的作用下，会扬起一定的月尘。月尘落到探测器上对光学敏感的设备等都会有影响。因为着陆的时候如果带着很大的太阳电池翼，一冲击端板可能就会折断。所以研制了一种全新的可重复展收的太阳电池翼，这也是以前航天器上没有用过。飞行过程中把太阳电池翼展开，着陆前把它收起来，着陆到外面后再把它展开，这里面的一些相应关键技术都解决了。

为嫦娥-3着陆器安装着陆腿（裴英 摄）

据探测器系统着陆器着陆缓冲分系统主任设计师杨建中介绍：嫦娥-3着陆缓冲分系统跟“阿波罗”的缓冲机构有些相似。着陆缓冲机构主要用来缓冲着陆器的冲击能力，俗称也是着陆腿。嫦娥-3的着陆腿可用8个字来概括它的特点，即强、轻、柔、稳、多、新、全、难。强是因为它要承受着陆器的冲击，一定要有足够的强度，不能在着陆过程中裂了、断了、折了。为了降低成本，它还要尽可能的轻，即在轻的基础上实现强。三个是柔，即通过相应的缓冲材料保证着陆器以非常柔和、舒适的方式来着陆，确保着陆器和仪器设备的安全。四是稳，通过四条着陆腿的协调工作，保证着陆过程中姿态非常稳定，而不是以很倾斜的方式，甚至翻倒。五是多，着陆腿的功能实际不仅仅是缓冲，还有很多，比如收拢、展开、支撑，最后还有指示，在足底上，形象称它为鞋底儿有开关，一旦触月，它就发出一个信号，一旦这个信号稳定地传输过来，就意味着稳定落月。六是新，它体现在两个方面，结合中国落月任务的特点打造出了“中国腿”，个性很鲜明；在打造“中国腿”的过程中，带动了相关新技术的发展。七是全，实现技术跨越和团队建设的双丰收。八是难，从上面七特点看，打造“中国腿”不但要克服了很多研制中的困难，还有克服了验证上的困难，特别是全面验证的困难。

着陆器携带了地形地貌相机、降落相机、极紫外相机、月基光学望远镜4种有效载荷以及着陆器电控箱进行就位探测，配置的工程载荷有监视相机和月尘测量仪。

2 着陆器携带的仪器

（1）地形地貌相机

地形地貌相机装在相机指向机构上，随相机指向机构转动。它主要由遮光罩、光学镜头、电子学单元、图形压缩板组成；波段范围为可见光，成像方式为静态拍照与动态摄像交替切换。它用于获取着陆区的光学成像，绘制着陆区地形、地貌图，获取着陆区月表的形貌特征，研究月表地形地貌。其特点是重量轻、功耗小，可以拍视频，但只有15个地球日的寿命，即在月表只工作一个月昼，因为再多拍就是重复拍摄了。

嫦娥-3着陆器结构图

链接：等离子体层是地球磁场跟太阳风相互作用的近地空间环境，在地球轨道上用卫星观测地球等离子体层，只能看到局部，看不到全貌。嫦娥-3远离地球，所以能够看到地球等离子层的全貌，而且一看就是半个地球，可以连续看13.5天,即能长期地、全面地、整体地看，长时间地跟踪观测可以从整体上探测太阳活动、地磁扰动对地球空间等离子体层的影响，关键是可以观测到动态和变化，获取地球等离子体层三维图像。还有观点认为，地球上一些自然灾害与地球等离子体层有关，这也是有可能的，因为地球上很多自然现象都跟太阳活动有关，所以相关的研究也具有科学意义。

（2）降落相机

降落相机的光学、结构、电子学系统和温控采用一体化综合设计，主要由遮光罩、光学镜头、电子学和机箱组成；波段范围为可见光，正常成像距离为不小于4m。它用于在着陆器动力下降过程中，在2km～4m各个高度获取着陆区域的光学成像，即月貌特征图、地形地貌图像，从而分析着陆区月表的地形地貌和区域地质情况。它仅在着陆过程中使用，并给月球车要走的路径拍一个详细的地图，对月貌特征进行黑白成像。

（3）极紫外相机

极紫外相机安装在着陆器的顶部，主要包括三个部分。一是光学系统，二是成像探测器，三是跟踪功能系统。它通过对地球周围的等离子体层进行全方位、长期的观测研究，可获取地球等离子体层三维图像，用于在月昼期间进行对地球周围的等离子体层进行极紫外成像探测。

极紫外相机是世界上首次在月球上应用。它既可拍摄月球的地形地貌，也能在飞行过程中拍摄地球，它将利用月球稳定、真空环境，对地球周围的等离子层空间环境的整体变化进行长达1年的全方位稳定观测，包括离子体层的密度、结构变化，反映地球空间大范围的环境变化，探测地球等离子体层的变化特点，提高中国空间环境监测和预报能力。这有助于了解太阳和地球的相互关系。地球等离子体层可以阻挡大部分太阳风落到我们地球表面，阻挡绝大部分高能的宇宙射线进入地球，是地球的一个保护屏障，它的变化对我们地球的空间天气影响很大，也可能影响地球的生存。人造地球卫星也可以看到更详细的变化，但是无法掌握实时的、整体性的规律。

地形地貌相机（左）（中国科学院月球与深空探测总体部 供图）

降落相机（中国科学院月球与深空探测总体部 供图）

月基光学望远镜反射镜和转台（中国科学院月球与深空探测总体部 供图）

极紫外相机（中国科学院月球与深空探测总体部 供图）

链接：空间望远镜也不会受到大气层的扰动，但是由于没有固定的地方，容易受到太空碎片的影响。月基光学望远镜比轨道观测又进了一步。月球大约27个地球日才自转一周，所以可对一个目标开展长达300多小时的持续跟踪。另外，月球上引力场的微弱，减轻了仪器结构强度和制造的困难，而且对仪器的操作和控制也变得更为容易。这次携带天文月基望远镜更多是试验性质，看设备能否运行正常，如果这次试验可行，以后会在月球上安装更大的望远镜，即在月球上建立天文台。

（4）月基光学望远镜

月基光学望远镜由望远镜主体和反射镜转台组成，用于在近紫外波段对各种天文变源的亮度变化行为进行长时间的连续监测，在月昼期间进行月基光学天文观测。它是以月球为基地观测天文的设备，将在世界上首次实现月基天文观测，可对重要天体的光变进行长期连续监测并对低银道带进行巡天观测,连续观测时间更长，看得更远。因为月球上有特殊的空间环境：高真空、无大气、低磁场、弱重力、无污染、地质构造稳定、宇宙射线丰富，没有电离层和磁层的干扰以及各种人为活动和污染，所以这台高精度望远镜将“看”得更远更清晰，进一步扩展人类的眼界，可能会有一些新发现。由于近紫外月面天文望远镜的独创性，2012年9月国际月球观测台协会（ILOA）和中国国家天文台（NAOC）签订协议，共享嫦娥-3着陆器上的近紫外月基光学望远镜望和谷歌月球探月竞赛（Google Luna X Prize）中ILO-X探测器的银河系图片数据，这将是中美近年来在航天领域的首次合作。

据探月工程二期副总设计师孙辉先介绍：在地球上想看天文都要透过大气看，而大气会引起光的散射。月球上没有大气，在月球上看就能避免这一点，而且还比较固定。月基光学望远镜是观测紫外的光，这个波段在地球上是看不到的。因为这个波段进入到地球时全部被大气所吸收了。它有两个特点，一是它不完全是摇控，而是通过地面系统发一个命令自主展开。二是选择了一个叫极紫外的波段，这个波段在地球地面上是不可能观测到的，它必须要空间去完成。这个波段对一些星体的突然爆发现象非常敏感。整个国际天文界可以共享我国获得的探测资料。月基光学望远镜要连续工作一年。

着陆器有效载荷电控箱由中科院空间中心研制。它由计算机单元、电源配电单元、遥测及总线单元、测控接口单元、地形地貌相机电子学单元、极紫外电子学单元、月基光学望远镜电子学单元组成，用于将各个有效载荷电子学部分统一进行设计，将功能相似或相近的资源共享，提高资源利用率。

嫦娥-3着陆器驮着玉兔号月球车在月面软着陆示意图（神舟传媒 制）

（5）着陆器有效载荷月面工作模式

1）有效载荷在发射段、地月转移段、环月段不工作。

2）在动力下降段，降落相机开机工作，在2km～4m各个高度获取降落区域的月貌特征图。

3）着陆在月面后，降落相机关机。

4）着陆月面后第一个月昼，有效载荷地形地貌相机、极紫外相机、月基光学望远镜和着陆器有效载荷电控箱开机工作，获取科学数据。

5）地形地貌相机工作寿命为15个地球日，第一个月昼完成所有科学探测，不过月夜。

6）极紫外相机、月基光学望远镜工作寿命1年，在月夜期间关机进入保温模式。

7）第2个月球日的月昼，极紫外相机、月基光学望远镜和着陆器有效载荷电控箱开机工作，进行常规模式的科学探测。

月球上的环境可算极端，昼夜温差，着陆之后还很可能扬起月尘，这些都会影响仪器正常工作。因此，探测器着陆后一天左右，要等到所有的月尘都落下来，才会打开极紫外相机的外罩和月基光学望远镜的舱盖。对着陆器和月球车来说，怎么防月尘是设计和研制过程中遇到的最大困难之一。比如，极紫外相机安装在着陆器顶部，因此设计有一个外罩，一方面为了防月尘，另外，这个盖子本身带一个热源，可以在过月夜的时候盖上，保证内部的适当温度。