飞月·飞越——创新多多的嫦娥-3落月探测

□ 杭添仁

飞月·飞越
——创新多多的嫦娥-3落月探测

□ 杭添仁

北京时间2013年12月2日凌晨1时30分，我国用长征—3B改进型火箭在西昌卫星发射中心成功发射嫦娥—3落月探测器并将其直接送入近地点200千米、远地点380000 千米的地月转移轨道。

12月6日17时53分，北京航天飞行控制中心对嫦娥—3探测器成功实施近月制动并被月球捕获，进入100 千米的环月圆轨道。

12月11日21时20分，嫦娥—3在环月轨道成功实施变轨控制，顺利进入预定的月面着陆准备轨道。

12月14日，嫦娥—3着陆器经历“黑色720秒”的考验，成功登陆月球虹湾，首次实现了我国对地球以外天体的软着陆，使我国成为世界第三个掌握落月探测技术的国家。

12月15日，着陆器、巡视器成功分离，玉兔号在月面留下两道深深的辙印，这是中国探测器留在地外天体上的第一串“脚印”。稍后，“两器”进行互成像实验，标志嫦娥-3任务取得圆满成功。

12月22日，互拍任务圆满结束，月球车告别着陆器，前往更远的区域进行月面巡视勘察，所有科学仪器都开始月面探测工作。

12月26日，玉兔号首次月夜休眠。“睡”14天后再重新工作。

在接下来的3个月甚至更长的时间里，玉兔号月球车将以每小时200米的速度和每一“步”7米左右的节奏巡视月面。

海岛冰轮初转腾，月球，我们来了……

玉兔号在月面留下两道深深的辙印，月宫迎来了久违的“客人”。虹湾不曾缘客扫，广寒今始为“君”开。

两大目标

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我国月球探测工程又叫“嫦娥工程”，分绕月探测、落月探测、采样返回探测，即“绕、落、回”三个发展阶段完成，其中发射和运行的嫦娥—3是完成第二阶段落月探测任务的关键。

嫦娥—3由着陆探测器（下面简称着陆器）和巡视探测器（简称巡视器，俗称月球车，名为玉兔号）组成，所以发射嫦娥—3实际上是发射了两个月球探测器。两器分离前，巡视器为着陆器的载荷；分离后，为两个独立的探测器，各自展开月面探测工作。

用玉兔号命名月球车既体现了中华民族的传统文化，又反映了我国和平利用太空的宗旨。传说中，当年“嫦娥”怀抱玉兔奔月，玉兔善良、纯洁、敏捷的形象与月球车的构造、使命既形似又神似。

嫦娥—3的工程目标有三个：

1突破月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术，提升航天技术水平；

2研制月面软着陆探测器和巡视探测器，建立地面深空站，获得包括运载火箭、月球探测器、发射场、深空测控站、地面应用等在内的功能模块，具备月面软着陆探测的基本能力；

3 建立月球探测航天工程基本体系，形成重大项目实施的科学有效的工程方法。

该工程成功的标志是：

探测器安全着陆月面；巡视器成功转移到月面并行驶，两器完成互拍并获得图像，即“落下去、走起来”。

嫦娥—3的科学目标也有三个：

1调查着陆区与巡视区月表地形地貌与地质构造；

3探测地球等离子体层以及开展月基光学天文观测。

2调查着陆区与巡视区月表物质成分、月球内部结构以及可利用资源；

七大创新

嫦娥—3任务有七大创新点：

1

首次实现我国航天器在地外天体软着陆。

目前，国外仅有美国、前苏联成功实施了13次无人月球表面软着陆，中国是第三个实施月球软着陆的国家。嫦娥—3探测器经过主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段等6个阶段的减速，实现从距月面15千米高度安全下降至月球表面。

2首次实现我国航天器在地外天体巡视探测。中国是第二个实施无人月球巡视探测的国家。月球车与着陆器完成解锁、释放、分离、下降到月面、驶离，整个过程每个动作环环相扣，任何一个动作都影响任务成败，但我们成功了。

3首次实现对月面探测器的遥操作。

玉兔号月球车遥操作采用自主加地面控制相结合的方式，根据获取到的环境参数，在地面完成任务规划，而月球车自主完成局部规划、避障并具备安全监测、应急保护的能力。

4首次研制我国大型深空站，初步建成覆盖行星际的深空测控通信网。

我国通过探月工程的实施，新建了18米、35米、65米、66米（亚洲最大）天线，实现了高精度、快速测定轨和月面定位目标。

5首次在月面开展多种形式的科学探测。

嫦娥—3搭载了8台科学载荷，用以完成3项科学探测任务，并创3个第一。其中的月基光学望远镜开创了国际上首次在月面开展天文研究的新领域，极紫外相机首次实现国际上在月面对地球等离子体层进行极紫外成像，测月雷达可在国际上首次建立集形貌、成分、结构于一体的综合性观测剖面，建立起月球区域综合演化动力学模型。

6首次在我国航天器上采用放射性同位素热源和两相流体回路技术，实现探测器在极端温度环境下的月面生存。

7首次研制建设一系列高水平特种试验设施，创新并形成了一系列先进试验方法。

平稳着陆

嫦娥—3宽度为4米、高有4.2米，发射质量3780千克，其中干重1220千克，寿命12个月。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15千米处开始动力下降，经过主动减速、调整接近、悬停避障等飞行阶段，实现路径优、燃料省、误差小的安全着陆。

在着陆器实现在月球表面软着陆后，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。

着陆器携带了4种科学探测仪器。地形地貌相机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。降落相机用于在着陆器动力下降过程中，在2千米～4米各个高度获取着陆区域的光学成像，即月貌特征图、地形地貌图象，从而分析着陆区月表的地形地貌和区域地质情况。极紫外相机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。月基光学望远镜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。

美丽玉兔

玉兔号月球车用于在月面行驶并对月面考察、收集和分析样品。其质量为140千克，长1.5米，宽1米，高1.1米，寿命3个月。

玉兔号采用6轮主副摇臂悬架的移动构形，由车轮、摇臂和差动机构等组成，可6轮独立驱动，4轮独立转向，相当于一台智能机器人。在月面巡视时采取自主导航和地面遥控的组合模式，具有自主测距、测速、前进、后退、转弯、避障、越障、爬坡、横向侧摆、原地转向、行进间转向、感知环境、规划路径、月面长时间生存的本领。它的高性能体现在越障能力和通过性，而不是追求高速度，而且它始终不会离开着陆器的“视野”。

玉兔号月球车携带了4种科学探测仪器。全景相机用于着陆区与巡视区月表光学成像，巡视区月表地形地貌研究、巡视区撞击坑调查与研究、巡视区月球地质构造解析和综合研究。测月雷达用于直接探测30米内月壤结构和测量月面以下100～200米深处的浅层月壳结构。红外成像光谱仪用于巡视区月表红外光谱分析和成像探测任务，完成巡视区月表矿物组成和分布分析，巡视区能源和矿产资源的综合研究。粒子激发X射线谱仪用于巡视区月表物质主量元素含量的现场分析，识别、鉴定岩石全岩成分、月壤全岩成分和矿物成分以及能源和矿产资源的综合研究。

嫦娥—3着陆过程示意图

三大难点

为了完成嫦娥—3任务，需要攻克多项关键技术，且技术难度大、实施风险高。完成嫦娥—3任务最大的难关是着陆关和月夜生存关，另外还有巡视关。

嫦娥—3最大的风险应该是软着陆这个环节。因为月球是真空环境，软着陆时不能使用降落伞，所以嫦娥—3只能是一边降落，一边用反推发动机把速度降下来。又由于月球表面凹凸不平，因此为了避开大石头和大坑，在着月过程中要找寻着陆点，在嫦娥—3降落距月面约100米时，它会像直升机一样悬停一会儿，以智能方式选择一块比较平的地方，飞到着陆点高空再降下来，最后一直靠反推发动机慢慢下降。由于在落月过程中需要嫦娥—3的发动机推力变化很大，传统发动机无法达到所需的能力，所以专门研制了1500～7500牛的变推力发动机，它是目前国内航天器中最大的。当降到离月面4米高度时，要关闭发动机，以免扬起月尘，污染相机镜头或影响其他设备工作。之后，嫦娥—3自由下降，最后靠着陆器的4个支架腿缓冲落在月面上。嫦娥—3的着陆地点在月球虹湾区，因为那里具备地形平坦、能源充足、通信畅通和轨控有效等特点。

嫦娥—3安全落月后面临的最大难关，就是如何经受住月球昼夜极端温差的考验而“存活”下来。月球的一天约相当于地球的28天，而且14天是阳光普照的白天，14天是寒冷的黑夜。其白天温度可达150℃，夜间温度会降到—180℃。所以月夜长时间低温对嫦娥—3是个严峻考验，因为很多设备的工作温度都有严格限制，在这么低的温度下，所有的电子仪器都会被冻坏，即使天亮后太阳出来了也不能恢复工作。要保持这些仪器设备不被冻坏的最低温度是—40℃。另外，在月夜期间不能用太阳电池发电来保温。由于为了给仪器提供足够的温度，需要很大功率的电源，且工作时间长，而现有的各种电池都不行。为了解决这一难题，嫦娥—3首次采用了同位素热源以及导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、低重力环境下机构的重复展开与收拢技术、月尘环境下机构的润滑与密封技术等，以确保探测器系统顺利度过月夜。这相当于给探测器盖被子、生炉子、开空调。

其实，巡视关也不好过，因为月球表面的土壤非常松软，而且崎岖不平，石块、陨石坑遍布。玉兔号是我国最高智能“机器人”，可以自主导航，自主选择探测路线，自主上下坡，规避撞击坑和大型障碍物体。它采用6个空心网状轮子（可防止粘带月尘），其高1.5米左右的“脖子”上装有360°全景相机，它是一套自主视觉导航系统，可观察前方3米以内地貌，然后通过计算建立三维立体地图，判断和规划行进路径。如果遇到较大的坡、石块或坑时它避让绕开走，实现未知环境的自主安全避障和自主导航。其活动范围为5千平方米，具有爬20°坡、越20厘米高障碍的能力，移动速度达到200米/小时。依靠先进的设备，玉兔号能够对巡视区月表进行三维光学成像，对月表进行红外光谱分析，开展月壤厚度和结构的科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析，等等。它传回来的数据，将帮助我们更加准确、更加直接地了解那个神秘而美丽的月亮。

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众人拾柴火焰高——中科院国家天文台助力嫦娥飞天

月地数据建通途：

中科院国家天文台承担的嫦娥-3任务地面应用系统，不仅负责制定嫦娥-3任务科学探测计划和有效载荷运行计划，监视着陆器和巡视器有效载荷的运行状态，编制有效载荷控制指令和注入数据，完成有效载荷运行管理，还负责着陆器和巡视器的下行探测数据的地面接收、处理、解译和管理，连接着月与地。此外，地面应用系统还负责科学探测数据的存储与发布，组织科学家进行数据产品生产、科学应用与研究，还要开展相关的科学普及工作。

总体性能名列全球第四、亚洲第一的上海65米口径射电望远镜，被正式命名为“天马”望远镜，得名于其所在的天马山。

坐月巡天开新河：

中科院国家天文台研制的月基光学望远镜能坐月巡天，可观测近紫外星等亮于13等的天体，肩负着在月昼期间进行月基光学天文观测的科学使命，开创了在月面开展天文研究的新领域。

长途漫漫盯嫦娥：

中科院上海天文台执行嫦娥-3VLBI测轨任务，由中科院在国内的5个VLBI观测站（佘山25米/天马65米、密云50米、昆明40米、南山25米射电望远镜）在同一时刻观察同一个点，以获得延迟率和卫星的角位置，进而实现对卫星的精确定位，为嫦娥-3的落月之旅指明方向。上海佘山25米和天马65米射电望远镜同时参与嫦娥-3的测轨工作，形成双保险。

（责任编辑 张恩红）