飛月·飛越
——創(chuàng)新多多的嫦娥-3落月探測

□ 杭添仁

飛月·飛越
——創(chuàng)新多多的嫦娥-3落月探測

□ 杭添仁

北京時間2013年12月2日凌晨1時30分，我國用長征—3B改進型火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射嫦娥—3落月探測器并將其直接送入近地點200千米、遠地點380000 千米的地月轉(zhuǎn)移軌道。

12月6日17時53分，北京航天飛行控制中心對嫦娥—3探測器成功實施近月制動并被月球捕獲，進入100 千米的環(huán)月圓軌道。

12月11日21時20分，嫦娥—3在環(huán)月軌道成功實施變軌控制，順利進入預(yù)定的月面著陸準備軌道。

12月14日，嫦娥—3著陸器經(jīng)歷“黑色720秒”的考驗，成功登陸月球虹灣，首次實現(xiàn)了我國對地球以外天體的軟著陸，使我國成為世界第三個掌握落月探測技術(shù)的國家。

12月15日，著陸器、巡視器成功分離，玉兔號在月面留下兩道深深的轍印，這是中國探測器留在地外天體上的第一串“腳印”。稍后，“兩器”進行互成像實驗，標志嫦娥-3任務(wù)取得圓滿成功。

12月22日，互拍任務(wù)圓滿結(jié)束，月球車告別著陸器，前往更遠的區(qū)域進行月面巡視勘察，所有科學儀器都開始月面探測工作。

12月26日，玉兔號首次月夜休眠?！八?4天后再重新工作。

在接下來的3個月甚至更長的時間里，玉兔號月球車將以每小時200米的速度和每一“步”7米左右的節(jié)奏巡視月面。

海島冰輪初轉(zhuǎn)騰，月球，我們來了……

玉兔號在月面留下兩道深深的轍印，月宮迎來了久違的“客人”。虹灣不曾緣客掃，廣寒今始為“君”開。

兩大目標

超鏈接

我國月球探測工程又叫“嫦娥工程”，分繞月探測、落月探測、采樣返回探測，即“繞、落、回”三個發(fā)展階段完成，其中發(fā)射和運行的嫦娥—3是完成第二階段落月探測任務(wù)的關(guān)鍵。

嫦娥—3由著陸探測器（下面簡稱著陸器）和巡視探測器（簡稱巡視器，俗稱月球車，名為玉兔號）組成，所以發(fā)射嫦娥—3實際上是發(fā)射了兩個月球探測器。兩器分離前，巡視器為著陸器的載荷；分離后，為兩個獨立的探測器，各自展開月面探測工作。

用玉兔號命名月球車既體現(xiàn)了中華民族的傳統(tǒng)文化，又反映了我國和平利用太空的宗旨。傳說中，當年“嫦娥”懷抱玉兔奔月，玉兔善良、純潔、敏捷的形象與月球車的構(gòu)造、使命既形似又神似。

嫦娥—3的工程目標有三個：

1突破月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)，提升航天技術(shù)水平；

2研制月面軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站，獲得包括運載火箭、月球探測器、發(fā)射場、深空測控站、地面應(yīng)用等在內(nèi)的功能模塊，具備月面軟著陸探測的基本能力；

3 建立月球探測航天工程基本體系，形成重大項目實施的科學有效的工程方法。

該工程成功的標志是：

探測器安全著陸月面；巡視器成功轉(zhuǎn)移到月面并行駛，兩器完成互拍并獲得圖像，即“落下去、走起來”。

嫦娥—3的科學目標也有三個：

1調(diào)查著陸區(qū)與巡視區(qū)月表地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造；

3探測地球等離子體層以及開展月基光學天文觀測。

2調(diào)查著陸區(qū)與巡視區(qū)月表物質(zhì)成分、月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可利用資源；

七大創(chuàng)新

嫦娥—3任務(wù)有七大創(chuàng)新點：

1

首次實現(xiàn)我國航天器在地外天體軟著陸。

目前，國外僅有美國、前蘇聯(lián)成功實施了13次無人月球表面軟著陸，中國是第三個實施月球軟著陸的國家。嫦娥—3探測器經(jīng)過主減速段、快速調(diào)整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段等6個階段的減速，實現(xiàn)從距月面15千米高度安全下降至月球表面。

2首次實現(xiàn)我國航天器在地外天體巡視探測。中國是第二個實施無人月球巡視探測的國家。月球車與著陸器完成解鎖、釋放、分離、下降到月面、駛離，整個過程每個動作環(huán)環(huán)相扣，任何一個動作都影響任務(wù)成敗，但我們成功了。

3首次實現(xiàn)對月面探測器的遙操作。

玉兔號月球車遙操作采用自主加地面控制相結(jié)合的方式，根據(jù)獲取到的環(huán)境參數(shù)，在地面完成任務(wù)規(guī)劃，而月球車自主完成局部規(guī)劃、避障并具備安全監(jiān)測、應(yīng)急保護的能力。

4首次研制我國大型深空站，初步建成覆蓋行星際的深空測控通信網(wǎng)。

我國通過探月工程的實施，新建了18米、35米、65米、66米（亞洲最大）天線，實現(xiàn)了高精度、快速測定軌和月面定位目標。

5首次在月面開展多種形式的科學探測。

嫦娥—3搭載了8臺科學載荷，用以完成3項科學探測任務(wù)，并創(chuàng)3個第一。其中的月基光學望遠鏡開創(chuàng)了國際上首次在月面開展天文研究的新領(lǐng)域，極紫外相機首次實現(xiàn)國際上在月面對地球等離子體層進行極紫外成像，測月雷達可在國際上首次建立集形貌、成分、結(jié)構(gòu)于一體的綜合性觀測剖面，建立起月球區(qū)域綜合演化動力學模型。

6首次在我國航天器上采用放射性同位素熱源和兩相流體回路技術(shù)，實現(xiàn)探測器在極端溫度環(huán)境下的月面生存。

7首次研制建設(shè)一系列高水平特種試驗設(shè)施，創(chuàng)新并形成了一系列先進試驗方法。

平穩(wěn)著陸

嫦娥—3寬度為4米、高有4.2米，發(fā)射質(zhì)量3780千克，其中干重1220千克，壽命12個月。當嫦娥—3完成發(fā)射、飛行到達月球時，著陸器采取不同制導(dǎo)方式，從距月面15千米處開始動力下降，經(jīng)過主動減速、調(diào)整接近、懸停避障等飛行階段，實現(xiàn)路徑優(yōu)、燃料省、誤差小的安全著陸。

在著陸器實現(xiàn)在月球表面軟著陸后，首先由著陸器為玉兔號月球車充電，對玉兔號進行初始化；之后，玉兔號與地面建立通信鏈路，控制連接解鎖機構(gòu)解鎖，走上轉(zhuǎn)移機構(gòu)；接著，著陸器控制轉(zhuǎn)移機構(gòu)運動到月面，玉兔號駛離轉(zhuǎn)移機構(gòu)，開始3個月的月面巡視勘察。

著陸器攜帶了4種科學探測儀器。地形地貌相機用于獲取著陸區(qū)的光學成像，繪制著陸區(qū)地形、地貌圖，獲取著陸區(qū)月表的形貌特征，研究月表地形地貌。降落相機用于在著陸器動力下降過程中，在2千米～4米各個高度獲取著陸區(qū)域的光學成像，即月貌特征圖、地形地貌圖象，從而分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)情況。極紫外相機可獲取地球等離子體層三維圖像，用于在月晝期間進行對地球周圍的等離子體層進行極紫外成像探測。月基光學望遠鏡用于在近紫外波段對各種天文變源的亮度變化行為進行長時間的連續(xù)監(jiān)測，在月晝期間進行月基光學天文觀測。

美麗玉兔

玉兔號月球車用于在月面行駛并對月面考察、收集和分析樣品。其質(zhì)量為140千克，長1.5米，寬1米，高1.1米，壽命3個月。

玉兔號采用6輪主副搖臂懸架的移動構(gòu)形，由車輪、搖臂和差動機構(gòu)等組成，可6輪獨立驅(qū)動，4輪獨立轉(zhuǎn)向，相當于一臺智能機器人。在月面巡視時采取自主導(dǎo)航和地面遙控的組合模式，具有自主測距、測速、前進、后退、轉(zhuǎn)彎、避障、越障、爬坡、橫向側(cè)擺、原地轉(zhuǎn)向、行進間轉(zhuǎn)向、感知環(huán)境、規(guī)劃路徑、月面長時間生存的本領(lǐng)。它的高性能體現(xiàn)在越障能力和通過性，而不是追求高速度，而且它始終不會離開著陸器的“視野”。

玉兔號月球車攜帶了4種科學探測儀器。全景相機用于著陸區(qū)與巡視區(qū)月表光學成像，巡視區(qū)月表地形地貌研究、巡視區(qū)撞擊坑調(diào)查與研究、巡視區(qū)月球地質(zhì)構(gòu)造解析和綜合研究。測月雷達用于直接探測30米內(nèi)月壤結(jié)構(gòu)和測量月面以下100～200米深處的淺層月殼結(jié)構(gòu)。紅外成像光譜儀用于巡視區(qū)月表紅外光譜分析和成像探測任務(wù)，完成巡視區(qū)月表礦物組成和分布分析，巡視區(qū)能源和礦產(chǎn)資源的綜合研究。粒子激發(fā)X射線譜儀用于巡視區(qū)月表物質(zhì)主量元素含量的現(xiàn)場分析，識別、鑒定巖石全巖成分、月壤全巖成分和礦物成分以及能源和礦產(chǎn)資源的綜合研究。

嫦娥—3著陸過程示意圖

三大難點

為了完成嫦娥—3任務(wù)，需要攻克多項關(guān)鍵技術(shù)，且技術(shù)難度大、實施風險高。完成嫦娥—3任務(wù)最大的難關(guān)是著陸關(guān)和月夜生存關(guān)，另外還有巡視關(guān)。

嫦娥—3最大的風險應(yīng)該是軟著陸這個環(huán)節(jié)。因為月球是真空環(huán)境，軟著陸時不能使用降落傘，所以嫦娥—3只能是一邊降落，一邊用反推發(fā)動機把速度降下來。又由于月球表面凹凸不平，因此為了避開大石頭和大坑，在著月過程中要找尋著陸點，在嫦娥—3降落距月面約100米時，它會像直升機一樣懸停一會兒，以智能方式選擇一塊比較平的地方，飛到著陸點高空再降下來，最后一直靠反推發(fā)動機慢慢下降。由于在落月過程中需要嫦娥—3的發(fā)動機推力變化很大，傳統(tǒng)發(fā)動機無法達到所需的能力，所以專門研制了1500～7500牛的變推力發(fā)動機，它是目前國內(nèi)航天器中最大的。當降到離月面4米高度時，要關(guān)閉發(fā)動機，以免揚起月塵，污染相機鏡頭或影響其他設(shè)備工作。之后，嫦娥—3自由下降，最后靠著陸器的4個支架腿緩沖落在月面上。嫦娥—3的著陸地點在月球虹灣區(qū)，因為那里具備地形平坦、能源充足、通信暢通和軌控有效等特點。

嫦娥—3安全落月后面臨的最大難關(guān)，就是如何經(jīng)受住月球晝夜極端溫差的考驗而“存活”下來。月球的一天約相當于地球的28天，而且14天是陽光普照的白天，14天是寒冷的黑夜。其白天溫度可達150℃，夜間溫度會降到—180℃。所以月夜長時間低溫對嫦娥—3是個嚴峻考驗，因為很多設(shè)備的工作溫度都有嚴格限制，在這么低的溫度下，所有的電子儀器都會被凍壞，即使天亮后太陽出來了也不能恢復(fù)工作。要保持這些儀器設(shè)備不被凍壞的最低溫度是—40℃。另外，在月夜期間不能用太陽電池發(fā)電來保溫。由于為了給儀器提供足夠的溫度，需要很大功率的電源，且工作時間長，而現(xiàn)有的各種電池都不行。為了解決這一難題，嫦娥—3首次采用了同位素熱源以及導(dǎo)熱流體回路、隔熱組件、散熱面設(shè)計、電加熱器、低重力環(huán)境下機構(gòu)的重復(fù)展開與收攏技術(shù)、月塵環(huán)境下機構(gòu)的潤滑與密封技術(shù)等，以確保探測器系統(tǒng)順利度過月夜。這相當于給探測器蓋被子、生爐子、開空調(diào)。

其實，巡視關(guān)也不好過，因為月球表面的土壤非常松軟，而且崎嶇不平，石塊、隕石坑遍布。玉兔號是我國最高智能“機器人”，可以自主導(dǎo)航，自主選擇探測路線，自主上下坡，規(guī)避撞擊坑和大型障礙物體。它采用6個空心網(wǎng)狀輪子（可防止粘帶月塵），其高1.5米左右的“脖子”上裝有360°全景相機，它是一套自主視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，可觀察前方3米以內(nèi)地貌，然后通過計算建立三維立體地圖，判斷和規(guī)劃行進路徑。如果遇到較大的坡、石塊或坑時它避讓繞開走，實現(xiàn)未知環(huán)境的自主安全避障和自主導(dǎo)航。其活動范圍為5千平方米，具有爬20°坡、越20厘米高障礙的能力，移動速度達到200米/小時。依靠先進的設(shè)備，玉兔號能夠?qū)ρ惨晠^(qū)月表進行三維光學成像，對月表進行紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)的科學探測，對月表物質(zhì)主要元素進行現(xiàn)場分析，等等。它傳回來的數(shù)據(jù)，將幫助我們更加準確、更加直接地了解那個神秘而美麗的月亮。

超鏈接

眾人拾柴火焰高——中科院國家天文臺助力嫦娥飛天

月地數(shù)據(jù)建通途：

中科院國家天文臺承擔的嫦娥-3任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)，不僅負責制定嫦娥-3任務(wù)科學探測計劃和有效載荷運行計劃，監(jiān)視著陸器和巡視器有效載荷的運行狀態(tài)，編制有效載荷控制指令和注入數(shù)據(jù)，完成有效載荷運行管理，還負責著陸器和巡視器的下行探測數(shù)據(jù)的地面接收、處理、解譯和管理，連接著月與地。此外，地面應(yīng)用系統(tǒng)還負責科學探測數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)布，組織科學家進行數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)、科學應(yīng)用與研究，還要開展相關(guān)的科學普及工作。

總體性能名列全球第四、亞洲第一的上海65米口徑射電望遠鏡，被正式命名為“天馬”望遠鏡，得名于其所在的天馬山。

坐月巡天開新河：

中科院國家天文臺研制的月基光學望遠鏡能坐月巡天，可觀測近紫外星等亮于13等的天體，肩負著在月晝期間進行月基光學天文觀測的科學使命，開創(chuàng)了在月面開展天文研究的新領(lǐng)域。

長途漫漫盯嫦娥：

中科院上海天文臺執(zhí)行嫦娥-3VLBI測軌任務(wù)，由中科院在國內(nèi)的5個VLBI觀測站（佘山25米/天馬65米、密云50米、昆明40米、南山25米射電望遠鏡）在同一時刻觀察同一個點，以獲得延遲率和衛(wèi)星的角位置，進而實現(xiàn)對衛(wèi)星的精確定位，為嫦娥-3的落月之旅指明方向。上海佘山25米和天馬65米射電望遠鏡同時參與嫦娥-3的測軌工作，形成雙保險。

（責任編輯 張恩紅）