中国探月工程

文/华成 钟吉福

编者按：

2018年，中国航天最受瞩目的事件当属“嫦娥四号登月”，它将是世界上第一个在月球背面软着陆，并且进行巡视探测的航天器。为了让大家更加了解我国的探月工程，《百科探秘·航空航天》特别邀请到陕西中天火箭公司的华部长和航天五院的钟主任来为大家分享中国的探月历程以及中国航天未来的发展方向。

探月的重要意义

美国于20世纪60年代至70年代初组织开展了阿波罗探月计划，历时11年，耗资255亿美元，终于在1972年成功将航天员送上了月球。乘坐阿波罗11号的尼尔·阿姆斯特朗成为第一个踏上月球的人。“这是个人的一小步，却是人类的一大步”，人类征服月球的旅程由此拉开序幕。迄今为止，美国共将12名航天员陆续送上了月球。

发射人造地球卫星、载人航天和深空探测是目前人类航天活动的三大领域。重返月球，开发月球资源，建立月球基地已成为世界航天活动的必然趋势和竞争热点。开展月球探测工作是我国迈出航天深空探测的重要一步。月球具有可供人类开发和利用的诸多珍贵资源，如月球土壤及土壤中的各种元素（铝、铁、钛、锰、镁、铬、氦-3等）就是对地球资源的重要补充，能够对人类社会的可持续发展产生深远的影响。

中国探月计划的启动与实施

中国的探月工程酝酿了10年之久，自1994年的可行性论证开始，通过多年的分析研究，2004年“嫦娥工程”正式立项。探月任务的重点集中在绕月探测、月球三维影像分析、月球有用元素和物质类型的全球含量与分布调查、月壤厚度探查以及地月空间环境探测几个方面，其核心目的就是探测和利用月球资源。

中国整个探月工程分为“绕”“落”“回”三个阶段。

第一步为“绕”，即发射我国第一颗月球探测卫星，突破至地外天体的飞行技术，实现月球探测卫星绕月飞行。通过遥感探测，可以获取月球表面的三维影像，探测月球表面有用元素含量和物质类型以及月壤特性，帮助我们更好地了解地月空间环境。

第二步为“落”，即发射月球软着陆器，突破至地外天体的着陆技术，并携带月球巡视勘察器，进行月球软着陆和自动巡视勘测，探测着陆区的地形地貌、地质构造、岩石的化学与矿物成分和月表的环境，进行月岩的现场探测和采样分析以及日—地—月空间环境监测与月基天文观测。具体方案是用安全降落在月面上的巡视车、自动机器人探测着陆区岩石与矿物成分，测定着陆点的热流和周围环境，进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析，为以后建立月球基地的选址提供月面的化学与物理参数。

第三步为“回”，即发射月球软着陆器，突破自地外天体返回地球的技术，进行月球样品自动取样并返回地球的任务，在地球上对取样进行分析研究，深化对地月系统的起源和演化的认识。此阶段的目标是月面巡视勘察与采样返回。

“嫦娥”月球探测卫星家族

嫦娥一号

嫦娥一号月球探测器是我国自主研制并发射的首颗绕月卫星，由中国空间技术研究院承担研制。嫦娥一号的主要任务是获取月球表面三维影像、分析月球表面有关物质元素的分布特点、探测月壤厚度、探测地月空间环境等。

嫦娥一号的任务是在距月球表面200千米的圆形极地轨道上运行，周期为1年，任务结束后不再返回地球。北京时间2007年10月24日18时05分左右，嫦娥一号探测器从西昌卫星发射中心由长征三号甲运载火箭成功发射。卫星发射后，在大约9天的时间内完成了调相轨道段、地月转移轨道段和环月轨道段飞行。经过8次变轨后，嫦娥一号于11月7日正式进入工作轨道。11月18日卫星转为对月定向姿态，11月20日开始传回探测数据。11月26日，中国国家航天局正式公布嫦娥一号传回的第一幅月面图像。2009年3月1日16时13分，嫦娥一号在控制下成功撞击月球，为我国月球探测一期工程画上了圆满的句号。

嫦娥二号

嫦娥二号月球探测器是嫦娥一号的“姐妹星”。由于嫦娥二号的主要任务是获得更清晰更详细的月球表面（包括极区）影像数据，因此卫星上搭载的CCD照相机的分辨率较嫦娥一号更高，其他探测设备也有所改进。嫦娥二号发射重量相比嫦娥一号增加了130千克，燃料能够提供约每秒2.3千米的总速度增量。在测控数传能力方面，嫦娥二号使用了LDPC编码功能，新增了工程载荷数据传输通道，可支持距地2 000万千米远的数据传输。在机动飞行能力方面，嫦娥二号在加速度计的测量区间、姿态控制补偿、燃料量预估等方面都进行了设计改进，提升了轨道控制精度。不仅如此，嫦娥二号还采用了实时和延时强制卸载手段，实现姿态与轨道的耦合控制；使用自主惯性对准功能，提高了轨道控制自主性；设计新增大推力轨道维持功能，提高了控制精度和自主性，将推进系统工作寿命从3个月提升到6个月以上。

嫦娥二号于2010年10月1日18时59分57秒，从西昌卫星发射中心由长征三号丙火箭成功发射。10月2日凌晨3点39分左右，嫦娥二号完成第一次地月成像。10月6日上午11时06分35秒，嫦娥二号被月球捕获，进入环月轨道成功实施第一次近月制动，32分钟后，卫星顺利进入周期约12小时的圆环月轨道。2012年12月15日，嫦娥二号飞离日—地拉格朗日L2点195天后，到达距地球约700万千米远的深空，与图塔蒂斯小行星由远及近擦身而过。至此，嫦娥二号再拓展试验成功，嫦娥二号任务圆满完成。嫦娥二号目前已经成为太阳系的小行星，围绕太阳在圆轨道上运行，预计会在2020年前后回到地球附近。

嫦娥三号

从嫦娥三号月球探测器开始，“嫦娥工程”进入第二阶段。嫦娥三号是中国第一个在月球软着陆的无人登月探测器，是由月球软着陆探测器和玉兔号月球车组成。嫦娥三号突破了月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥控操作、深空探测运载火箭发射等关键技术；具备了月面软着陆探测的基本能力，建成了月球探测航天工程基本体系。其主要任务包括：月球表面形貌与地质构造调查、月球表面物质成分和可利用资源调查、地球等离子体层探测和月基光学天文观测。

嫦娥三号于2013年12月2日在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭送入太空，当月14日成功软着陆于月球雨海西北部，15日完成着陆器与巡视器分离，并陆续开展了“观天、看地、测月”的科学探测及其他预定任务。2013年12月16日，官方宣布嫦娥三号任务获得成功。2016年8月4日，嫦娥三号正式退役，从此永久地留在了月球上。

自2013年12月14日月面软着陆以来，嫦娥三号创造了在月工作时间最长纪录，其拍摄的月面高清照片包含了大量科学信息。目前，这些照片和数据已向全球免费开放共享。

嫦娥四号

嫦娥四号月球探测器，简称“四号星”，是嫦娥三号的备份星。嫦娥四号将实现月球软着陆和巡视探测任务，继续更深层次、更加全面地获取月球地质、资源等方面的信

息，完善月球的档案资料。值得一提的是，嫦娥四号将是世界首颗在月球背面软着陆和巡视探测的航天器。

2018年4月24日，嫦娥四号中继星被命名为“鹊桥”；5月21日，“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射。在二期工程中，我国将实现四个“第一”：研制并发射我国第一个地外天体着陆探测器和巡视探测器；第一次利用长征三号乙运载火箭发射地月转移轨道航天器；第一次建立和使用深空测控网进行测控通信；第一次实现月球软着陆、月面巡视、月夜生存等重大突破，开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分、月球内部结构、地月空间与月表环境等探测活动，建成基本配套的月球探测工程系统。此外，我国还将实现三大首创性科学研究：对月球背面的环境进行研究；对月背表面、浅深层、深层进行研究；因月球背面不受太阳影响，故在月球背面和中继星上分别安装低频射电探测仪。

嫦娥五号

嫦娥五号月球探测器将是中国首个实施无人月面取样返回的航天器，它将在探月工程三期中完成月面取样返回任务，是中国探月工程的收官之作。嫦娥五号重8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分组成，将由我国目前推力最大的长征五号运载火箭从海南文昌航天发射场进行发射。嫦娥五号预计2019年发射，采集月球样品并返回地球，全面实现月球探测工程“三步走”战略目标。

嫦娥五号将突破一系列关键技术，携带月球岩石样本回到地球，完成我国探月工程三步走中“回”的任务。嫦娥五号的研制和实施，将首次实现月面自动采样返回等航天技术的飞跃，完善中国的月球探测航天工程体系，为后续载人登月和深空探测工程奠定基础。通过实施嫦娥五号无人月球采样返回任务，中国在月球科学研究方面将更进一步：开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察，获取与返回样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系；对月球样品进行实验室研究，分析着陆点月表物质的结构、成分及物理特性，深化月球成因和演化历史的研究。

中国探月工程进展及未来星空探索展望

目前，我国的探月工程已经进行到第三期工程阶段，主要目标是月面巡视勘察与采样返回。前期需要研制和发射新型软着陆月球巡视车，可以在着陆区进行巡视勘察，而后便开始研制和发射小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等，采集月球上关键性样品返回地球，为下一步载人登月探测、月球前哨站的选址等工作提供数据资料。

中国探月工程三期再入返回飞行试验任务返回器交接仪式和开舱仪式于2014年11月2日上午举行，全部搭载物品顺利取出，标志着中国探月工程三期的再入返回飞行试验获得圆满成功。

预计2020年左右，我国将发射嫦娥六号探测器，它是嫦娥五号的备份星，能够实施月球背面采样返回任务。另外，我国还计划在未来五年、十年，开展两次以机器人为代表的月球南北极探测，或将建造月球基地。

未来，星际太空开拓还是以空间站及登月工程为基础。在完成三个工程期的探月工程任务后，我国将深入开展对月球及宇宙深空的探索，重点突破深空探测器和大型运载火箭研制的关键技术，提升工程能力，满足深空领域科学探测的需求。未来的深空探索除了包含无人和载人的月球探测外，还将同时展开新一轮深空探测，包括掌握无大气天体的环绕着陆技术、发展火星探测器、形成能够达到距地球约4亿千米远的深空探测能力。未来十五年内，我国计划实施“深空探测一期工程”计划。该计划包括对火星、小行星和木星的探测。2020年左右，我国计划发射首个火星探测器，在取得成功的基础上，再实施第二次火星探测任务，进行火星表面采样返回，开展火星构造、物质成分、火星环境等科学分析与研究。

太空基地、星际飞船等一系列科学设想虽然还只是存在于科幻小说当中，但随着探月工程、深空探测工程的一一实现，这些设想必将幻化成真。而这漫漫征程都将以探月工程为基础，在无垠的宇宙中一步步展开。