“嫦娥”探月的關(guān)鍵一步

席志剛

中國探月“三年一會”，在這個冬天如期而至。

繼2007年嫦娥一號，2010年嫦娥二號完成奔月之旅后，2013年12月2日凌晨，嫦娥三號攜帶中國第一輛登月車飛向月宮。

這是中國探月工程“繞、落、回”三個階段中第二階段，卻是最為關(guān)鍵的一步。中國是否進(jìn)行載人登月及建立駐月基地，需要在這一“落”中尋找更多的答案。

航天是一項(xiàng)風(fēng)險極高的事業(yè)，沒有強(qiáng)大的國力和技術(shù)儲備，很難進(jìn)行。從火箭運(yùn)載工具到航天器的設(shè)計(jì)制造，從深空測網(wǎng)布局到遙操作，從無人探測器到載人航天，每一步都是國家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。

天空就在那里，我們需要夢想更需要理性，從嫦娥一號升空到實(shí)現(xiàn)載人登月的夢想，中國仍有很長的路要走。而每一步的邁出都要依據(jù)中國的科技水平、綜合國力和國家整體發(fā)展戰(zhàn)略而制定。

寒冷的月宮即將迎來首位中國訪客。12月2日，承載國人探月夢想的嫦娥三號順利升空，并準(zhǔn)確進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，開啟了中國首個航天器在地球外天體著陸的大幕。

按照計(jì)劃，嫦娥三號將在12月6日進(jìn)入高度為100公里的近月軌道，并在發(fā)射13天后在月球上實(shí)施軟著陸，而首次登月的“玉兔”月球車將完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)。

在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)力支撐下，中國在宇宙探索的路上開始“加速度”。

“落下去，走起來”

自1976年美蘇等航天大國探月工程告一段落以后，就沒有哪個國家再到月球上進(jìn)行落月探測。

按照中國的嫦娥三號任務(wù)，整個探月共有三步，落下去算一步，月球車走起來算一步，到達(dá)之后完成全部任務(wù)是最后一步。在“嫦娥之父”、中國空間技術(shù)研究院空間科學(xué)與深空探測首席專家葉培建看來，安全落下去就是成功，隨后月球車離開著陸器行走起來并能在月球上工作一段時間，任務(wù)結(jié)束以后就是最大的成功。

如何安全地落下去，并順利地走起來，是嫦娥三號遇到的最大挑戰(zhàn)。

在整個落月過程中，在離月面一百米的時候要像直升機(jī)一樣懸停，通過全景相機(jī)等對月面進(jìn)行探測，選擇合適的降落區(qū)。若有石頭或者是坑，就要進(jìn)行平移，選擇一個更安全的地方。

隨后的軟著陸更是巨大的考驗(yàn)。因?yàn)樵虑驔]有大氣層，不能使用降落傘進(jìn)行減速，科研人員采用變推力發(fā)動機(jī)、自主導(dǎo)航控制技術(shù)和研發(fā)緩沖吸能部件來攻克這一難關(guān)。

“一邊落一邊往上推，這樣慢慢降下來，逐漸下落至距月球表面4米的位置之后發(fā)動機(jī)將熄滅，將采用自由落體的方式，軟著陸在月球。”航天專家龐之浩告訴《中國新聞周刊》，“難度之大，超乎想象?！?/p>

接下來要過巡視關(guān)，月球車得動起來，還要保證不翻車。在開始行進(jìn)前，月球車采用的是視覺導(dǎo)航，利用自己所攜全景相機(jī)，對四周進(jìn)行觀測，自主進(jìn)行規(guī)劃路線，然后行進(jìn)。與此同時，全景相機(jī)所拍資料傳回地面，以便無法自主行進(jìn)時，地面科技人員遙操作控制巡視器移動。

與美俄無人探月要么是單個著陸器，要么是單個月球車不同，中國的嫦娥三號是把著陸器和月球車探測器結(jié)合起來的聯(lián)合探測。

月球科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜冶硎?，嫦娥三號挑?zhàn)人類月球科學(xué)探測史上的幾項(xiàng)“首次”主要由嫦娥三號攜帶的八大科學(xué)載荷中的三件完成。其中，近紫外月基天文望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行世界上首次用月基天文望遠(yuǎn)鏡觀測天文；月球車“腹部”的測月雷達(dá)隨月球車移動探測月球地底下30米深土壤層的結(jié)構(gòu)和100米深的次表層結(jié)構(gòu)亦屬世界首次。

月夜生存是嫦娥三號落月后面臨的又一難關(guān)。龐之浩說，月晝月夜有330多攝氏度溫差，必須保證各載荷在寒冷的月夜下著陸器和探測器不被凍壞，太陽出來時再自動喚醒開始工作。

為突破長時間經(jīng)受嚴(yán)寒難關(guān)，在月球上過夜，嫦娥三號將攜帶核能電池飛天。核電池對將在月夜環(huán)境下生存的嫦娥三號的保溫至關(guān)重要。龐之浩告訴《中國新聞周刊》，不僅可以確保探測器上儀器不被凍壞，夜間休眠中的月球車還可以靠核電池放出來的熱量保溫。

此外，核電池還可以用于小規(guī)模供電，支持嫦娥三號所帶月球車低速移動；支持嫦娥三號所帶設(shè)備正常工作；支持嫦娥三號與地球之間的通訊。據(jù)了解，嫦娥三號探測器攜帶的核電池由中核集團(tuán)研發(fā)。

與美蘇上世紀(jì)50～70年代即把核電池用于航天領(lǐng)域相比，中國則落伍很多。中國第一塊核電池于1971年3月12日誕生于中科院上海原子核所，并進(jìn)行了模擬太空應(yīng)用的地面試驗(yàn)。從中國原子能科學(xué)研究院官方網(wǎng)站上可以發(fā)現(xiàn)，2004年開始該院正式啟動航天用同位素電池的研發(fā)，到2006年，研制出我國第一顆钚238同位素電池，2008年通過了專家組的鑒定。

雖然“國產(chǎn)”同位素電池的功率與美國核電池140瓦左右的功率還有距離，但技術(shù)并不遜色。航天專家稱，在我國未來的深空探測計(jì)劃中，比如火星、金星探測中，核電池會發(fā)揮越來越大的作用。

全球“月球車”大比拼

此次嫦娥三號搭載的“玉兔”月球車，金光閃閃，頗引人注目。月球車全名為“月面巡視探測器”，是集航天系統(tǒng)工程和智能機(jī)器人為一體的航天器，能完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)。

迄今為止，世界上發(fā)射并成功運(yùn)行的月球車有5輛，其中兩輛無人探測月球車是前蘇聯(lián)在上世紀(jì)70年代發(fā)射，另外三輛是美國阿波羅15號、16號、17號有人駕駛月球車。

中國的玉兔號月球車是無人駕駛月球車，質(zhì)量約140kg，與前蘇聯(lián)約1.8噸重的月球車相比簡直是“小個子”。在龐之浩看來，月球車是中國最高智能的機(jī)器人，全部自主導(dǎo)航，自己選路線、上坡、下坡、避開障礙，自己指揮身上的儀器操作，最后把數(shù)據(jù)傳回地球。

據(jù)了解，月球車金光閃閃是穿上了一套特殊材料制作的外衣，是一層層比羽毛還輕的保溫膜，這種保溫膜由膜狀物和網(wǎng)狀物間隔拼疊而成，共有15層。此外還有一種銀色膜主要用來反射太陽光和散熱，金銀外衣組成了一個天然的空調(diào)系統(tǒng)。

很長一段時間，月球車由哪個單位制造，并沒有明確的說法。龐之浩透露，“玉兔”月球車由中國空間技術(shù)研究院牽頭，集眾多科研單位研究成果于一身，各個研究單位的優(yōu)勢得到了已有體現(xiàn)。

直到2006年6月27日，由中國空間技術(shù)研究院承擔(dān)的國家科技攻關(guān)計(jì)劃“月球探測車制導(dǎo)導(dǎo)航技術(shù)研究”通過了科技部組織的國家級驗(yàn)收，并從7月12日開始在月球環(huán)境相似的甘肅與寧夏交界處騰格里沙漠邊緣的沙漠腹地進(jìn)行月球車野外試驗(yàn)，此后，中國空間技術(shù)研究院研制的月球車才進(jìn)入公眾視野。

“嫦娥三號任務(wù)系統(tǒng)的探測器系統(tǒng)由中國空間技術(shù)研究院抓總，探測器有效載荷由中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心抓總?！饼嬛聘嬖V《中國新聞周刊》，這是最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法。

據(jù)《中國新聞周刊》了解，中國空間技術(shù)研究院介入月球車的研制可以追溯到2003年，當(dāng)年2月，北京控制工程研究所的梁斌、王巍、王存恩在中國空間技術(shù)研究院網(wǎng)站發(fā)表名為《開發(fā)我國月球車的初步設(shè)想》的文章，文章稱，北京控制工程研究所承擔(dān)了“月球表面探測機(jī)器人方案研究”的863項(xiàng)目，并取得了一些成果。

賈陽是中國空間技術(shù)研究院月球車課題組的負(fù)責(zé)人之一，在2006年的一次訪談中透露，他的團(tuán)隊(duì)在吸取了其他科研單位在移動、導(dǎo)航方面的經(jīng)驗(yàn)后，與多家研究單位形成了聯(lián)盟。最終登月的“玉兔”月球車是多家科研單位合作的結(jié)果，哈工大主要負(fù)責(zé)制作它的移動系統(tǒng)和底盤，沈陽自動化所做的是機(jī)械臂。

盡管逃不脫國外月球車的影子，但中國的月球車并不是克隆產(chǎn)品。月球車的每項(xiàng)技術(shù)都打上了中國制造的名字，核心技術(shù)完全自主開發(fā)。

“月球車上的技術(shù)在其他航天領(lǐng)域也會得到應(yīng)用，并不止步于探月。”賈陽此前表示，關(guān)鍵技術(shù)掌握了，稍做改裝還可以投入火星探測之用。考慮到月球與火星星球環(huán)境的不同，會做適當(dāng)改進(jìn)，不過移動、導(dǎo)航、自主性的大框架還是一致的。

中國登月下一步

所有參與航天活動的國家都承認(rèn)，航天是一項(xiàng)風(fēng)險極高的事業(yè)，幾乎都曾飽嘗過失敗的苦澀。中國探月工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)坦言，探月工程經(jīng)受不起失敗。特別是嫦娥三號80%的產(chǎn)品和技術(shù)都是新的，更增加了風(fēng)險。

即使是在相對成熟的發(fā)射階段，其運(yùn)載火箭必須滿足高可靠性、高安全性和高質(zhì)量的“三高”要求，這種要求極為苛刻。

航天專家透露，在完全串聯(lián)系統(tǒng)中，若火箭零部件的可靠性為0.99999，即10萬個零件中有故障的不多于1個，這種情況下組裝的火箭的可靠性卻只有可憐的0.37，也就是發(fā)射3枚火箭就有可能失敗1枚。而要使火箭的可靠性達(dá)到0.9999，就要求零件的可靠性達(dá)到0.99999999，也就是說，1億個零件中，不可靠的都不能多于1個。

此次執(zhí)飛嫦娥三號發(fā)射任務(wù)的是長征三號乙增強(qiáng)型運(yùn)載火箭。長征三號乙是中國目前運(yùn)載能力最大、技術(shù)最先進(jìn)、構(gòu)成最復(fù)雜的運(yùn)載火箭，代表中國目前運(yùn)載火箭技術(shù)的最高水平，在世界航天界也居前列。

長征三號乙增強(qiáng)型火箭在長征三號乙火箭的基礎(chǔ)上開展了六大專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，科研人員借鑒成功率更高的用于載人航天發(fā)射的長征2F技術(shù)對長三乙運(yùn)載火箭進(jìn)行了9項(xiàng)可靠性增長改進(jìn)項(xiàng)目，飛行可靠性由原來的0.938提升至0.942，以確保嫦娥三號完美落月。

盡管有風(fēng)險，但中國探索太空計(jì)劃依然雄心勃勃。

按照此前中科院發(fā)布的中國科技發(fā)展路線圖，其中2050年空間科技發(fā)展路線圖明確提出，2030年前后中國實(shí)現(xiàn)載人登月，建立月球基地，2050年前后，載人飛行從月球基地飛向更遠(yuǎn)的行星，具備載人登火星能力。

“載人登月目前尚沒有時間表和明確的、精細(xì)的路線圖。”龐之浩認(rèn)為，載人登月、建立駐月基地以及載人登火星只是科學(xué)家的建議，目前中國探月工程進(jìn)展至“繞”“落”“回”三步中的第二步。

“若嫦娥三號一切順利，嫦娥四號則會做一些改進(jìn)，更換落月點(diǎn)。”龐之浩告訴《中國新聞周刊》，嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，其任務(wù)與嫦娥三號一樣。

中國科學(xué)院院士、中國月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)同樣在嫦娥三號發(fā)射前勾畫了探月工程的未來，嫦娥五號要降落在月球上，探測取樣后實(shí)現(xiàn)月面起飛，然后繞月飛行。由于嫦娥五號沒有能量飛回地球，需要在發(fā)射嫦娥五號時，同時發(fā)射一條飛船在月球外面繞飛，在月球軌道等嫦娥五號上來與其交會對接，并將其帶回地球。

由于嫦娥五號的有效載荷太重太大，需要研制新火箭進(jìn)行發(fā)射。據(jù)了解，新的長征五號火箭正在研制中，這是一款直徑為5米的重型運(yùn)載火箭，目前已突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)入到試樣階段，并預(yù)計(jì)于2015年左右在中國海南省文昌衛(wèi)星發(fā)射中心首飛。