“嫦娥三號”將創(chuàng)奇跡

東方星

創(chuàng)新

“嫦娥三號”將于近期發(fā)射。作為我國第三顆人造繞月探月衛(wèi)星，“嫦娥三號”將身懷更多“絕技”，它將攜帶著陸器和月球車，月球車將從著陸器里面走下來，在月球表面漫步，可自行導航、選擇路線，尋找合適的探測點，并將數(shù)據(jù)傳輸回來，從而實現(xiàn)零距離探月的目標。

2013年下半年，我國將用長征-3B增強型火箭發(fā)射“嫦娥三號”（以下簡稱嫦娥-3）月球探測器，這是我國探月工程二期——“落”月探測的最關鍵一步。其工程目標是：突破月球軟著陸、自動巡視勘察及其他相關技術，研制月球軟著陸探測器和月球車，建立月球探測航天工程基本體系，為后續(xù)工程服務。其主要科學目標是：月面地形地貌探測；月壤的綜合探測；月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查；月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究；日-地-月空間環(huán)境探測、月基光學天文觀測。

據(jù)嫦娥-3顧問葉培建院士介紹，嫦娥-3是我國發(fā)射的第一個地外軟著陸探測器和巡視器（俗稱月球車），也是美國“阿波羅”計劃結(jié)束后世界上重返月球的第一個軟著陸探測器，它將首次自主開展月面就位科學探測。其主要任務是對月球土壤和月球環(huán)境的勘查、勘測，精細探測月球局部地區(qū)，包括化學成分、礦物組成、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和月球表面環(huán)境等，也包括要突破一些新的航天技術。

探月方興未艾

進入21世紀以來，由于越來越多的國家或組織深刻地認識到，探測月球?qū)φ?、?jīng)濟和科技等許多方面都具有十分重要的意義，所以歐洲、日本、中國、印度和美國都先后成功發(fā)射了各自的月球探測衛(wèi)星，并取得了大量科技成果，從而在全球掀起了探月熱潮。

至今，人類總共發(fā)射了129個月球探測器，其中美國59個（不包括美國2013年將發(fā)射的“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器”），蘇聯(lián)64個，日本2個，中國2個，歐洲1個，印度1個，成功率大約為50%。21世紀發(fā)射的月球探測器全部成功，但21世紀的月球探測熱潮與冷戰(zhàn)時期的月球探測熱潮有明顯的不同，探測月球的目的由冷戰(zhàn)時期主要滿足政治和科學需要，改變?yōu)榘芽茖W探索和經(jīng)濟利益相結(jié)合，以探測月球資源為主，為未來月球資源開發(fā)、利用打基礎；探測月球的規(guī)模更宏大，將陸續(xù)發(fā)射采用最新技術成果的多種先進月球探測器，研究月球礦產(chǎn)資源的分布與利用，進行月球特殊空間環(huán)境資源的開發(fā)；打破了20世紀只有美蘇兩個國家對月球探測的壟斷局面，歐洲、日本、中國和印度等國家或組織都紛紛進行月球探測，并還將有越來越多的國家參與，且有可能逐漸轉(zhuǎn)變成以國際合作方式為主。

人類的探月可分為探月、登月和駐月三大步，即“探、登、駐”。目前，美國已經(jīng)完成了前兩個階段，未來將以第三階段為主，即建造可供人長期居住、工作的月球基地。蘇聯(lián)/俄羅斯走完了第一階段，今后可開展載人登月。歐洲、日本、中國和印度等都處在第一階段，以“探”為主攻方向，并按照繞月探測、落月探測、取樣返回，即“繞、落、回”三小步分步實施，逐步積累知識和經(jīng)驗。

由此可見，美蘇是探月的第一集團，其中，美國最為先進。歐洲、日本、中國和印度是探月的第二集團，且都已完成繞月探測，所以紛紛開始瞄準下一個目標——落月探測，即研制包括月球車在內(nèi)的月球著陸器。

嫦娥工程二期

我國的探月工程——嫦娥工程分三期實施：一期工程為繞月探測，即發(fā)射一顆月球探測衛(wèi)星對月球進行全球性普查；二期工程為落月探測，即發(fā)射月球軟著陸器，并攜帶月球巡視勘察器（俗稱月球車），在著陸器落區(qū)附近進行就位精細探測，對月球進行區(qū)域性詳查；三期工程為采樣返回探測，即發(fā)射月球采樣返回器，軟著陸在月球表面特定區(qū)域，并進行分析采樣，然后將月球樣品帶回地球，在地面實驗室對樣品進行詳細研究、精準分析。嫦娥工程的每一步都是對前一步的深化，并為下一步奠定基礎。

現(xiàn)在，嫦娥一期工程的目標已由2007年10月24日發(fā)射的嫦娥-1月球探測衛(wèi)星全部實現(xiàn)。目前，正在實施二期工程，核心任務是實現(xiàn)探測設備登上月球，進行科學探測。其全稱叫“月面軟著陸探測與自動巡視勘察”，即把月球探測器發(fā)射至月球表面軟著陸進行探測，精細探測著陸區(qū)的土壤、巖石、環(huán)境、熱流和月表的環(huán)境，進行高分辨率攝影和月巖的現(xiàn)場探測或采樣分析，建設月基天文臺，為月球基地的選址提供月面環(huán)境、地形、月巖的化學與物理性質(zhì)等數(shù)據(jù)。

從獲取探測數(shù)據(jù)的直接性和豐富性的角度來看，軟著陸探測和巡視勘察是其他探測形式所不能替代的，在月球與深空探測技術發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位，但要突破一系列關鍵技術。由于嫦娥工程二期需要攻克的關鍵技術多，技術跨度和實施難度大，所以經(jīng)研究決定，為了降低二期工程的風險，在發(fā)射我國首個月球著陸探測器嫦娥-3之前，先于2010年10月1日發(fā)射嫦娥-2月球探測衛(wèi)星作為二期工程的技術先導星，即開路先鋒。它用于試驗驗證嫦娥-3實現(xiàn)月面軟著陸任務的部分關鍵技術，勘察預選著陸區(qū)，為嫦娥-3、4 （嫦娥-4為嫦娥-3的備份月球著陸探測器）實現(xiàn)月面軟著陸積累經(jīng)驗，并在嫦娥-1任務的基礎上深入開展月球科學探測，所以它具有承前啟后、繼往開來的重要作用。

2013年發(fā)射的嫦娥-3可獲取月球內(nèi)部的物質(zhì)成分并進行分析，將由一期工程的“表面探測”引伸至內(nèi)部探測。其中著陸器定點守候，月球車在月球表面巡游90天，范圍可達到5平方公里，并抓取月壤在車內(nèi)進行分析，得到的數(shù)據(jù)將直接傳回地球。由于月面工作環(huán)境惡劣，晝夜溫差高達300攝氏度，地形崎嶇，地表松軟，所以對月球車提出了較高的工作要求，它不僅要耳聰目明、步伐矯健、心靈手巧，還要能“忍饑挨餓”。

登月的機器人

嫦娥-3由著陸器和月球車組成。據(jù)中國探月網(wǎng)早期介紹，為了實現(xiàn)預定科學目標，其著陸器擬配置以下有效載荷：全色攝像/照相機、激光反射器、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外光譜儀、低頻射電探測儀、近紫外月基天文望遠鏡、極紫外相機、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器、月震儀、研磨器、空間環(huán)境探測器、降落相機和機械臂等。月球車配置的有效載荷為：立體成像系統(tǒng)（即全景相機）、測月雷達、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外光譜儀、低頻射電探測儀、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器、質(zhì)譜儀、多光譜顯微鏡、研磨器和機械臂等。

我國專家最近透露，嫦娥-3著陸器設計壽命為一年，有四條支架腿，將攜帶測距測速雷達、激光測距儀、近紫外月基天文望遠鏡和極紫外相機等。其中近紫外月基天文望遠鏡將首次實現(xiàn)月基天文觀測，因為月球沒有大氣層屏障，所以用很小的望遠鏡就能看得很遠；極紫外相機既可拍攝月球的地形地貌，也能在飛行過程中拍攝地球，探測地球等離子體層的變化特點，提高中國空間環(huán)境監(jiān)測和預報能力；著陸器上的雷達主要用來探測月球的地質(zhì)信息。

嫦娥-3月球車有六個輪子，它相當于一臺智能機器人，將攜帶360度全景相機、紅外光譜儀和粒子激發(fā)X射線譜儀等，能精細地探測月球表面的化學元素。月球車底部裝載的雷達，可探測月球車巡視路線上100米深度的月壤層結(jié)構(gòu)。在脫離著陸器之后，月球車可開展為期1～3個月的月球巡視勘察。著陸器和月球車分開工作后可以互相監(jiān)視，用各自攜帶的相機“互拍”，到時候著陸器就會拍下月球車上的中國國旗，再傳回地面，這是嫦娥-3在月球著陸的一個證據(jù)。嫦娥-3進行的有些探測將是世界月球探測史上的創(chuàng)舉，可使我國首次獲得月球降落和巡視區(qū)的地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造的相關數(shù)據(jù)。嫦娥-3月球車將應用“多維精細超光譜遙感成像探測技術”，這表明我國遙感成像探測技術獲重要突破。

據(jù)有關媒體透露，嫦娥-3任務的特點是：①選擇與以往不同區(qū)域著陸；②月面軟著陸就位探測與月球車巡視勘察二者同時進行并有機結(jié)合，將獲得比以前更有意義的探測成果；③在國際上首次利用測月雷達實測月壤厚度（1～30米）和月殼巖石結(jié)構(gòu)（1～3公里）；④首次在軟著陸上利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器精確測定地月間距離，進行月球動力學研究；⑤首次開展日地空間和太陽系外天體的月基甚低頻射電干涉觀測，進行太陽射電爆發(fā)與空間粒子流、光千米波輻射、日冕物質(zhì)拋射行星低頻噪聲和太陽系外天體的甚低頻觀測研究；⑥首次在月球上采用極紫外相機觀測太陽活動和地磁擾動對地球空間等離子層極紫外輻射的影響，研究該等離子層在空間天氣過程中的作用；⑦首次進行月基光學天文觀測，研究太陽系外行星系統(tǒng)、星震和活動星系核。

難點變成亮點

與繞月探測相比，進行落月探測難度更大。不過，嫦娥-3所克服的難點變成亮點，因為滄海橫流方顯英雄本色。

據(jù)專家透露，嫦娥-3升空后將與嫦娥-2一樣直接進入月地轉(zhuǎn)移軌道，預計100多個小時后抵達月球軌道。它先繞月球轉(zhuǎn)幾圈“熱熱身”，做好各項準備，在地面下達“落月”指令后，由15公里的近月點開始降落，用很短時間就能著陸月球表面。

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，所以為了避開大石頭和大坑，在著月過程中找尋著陸點，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。直到降到離月面4米高度時，要關閉發(fā)動機，以免揚起月塵，污染相機鏡頭或影響其他設備工作。之后，嫦娥-3自由下降，最后靠著陸器的四個支架腿緩沖落在月面上。為緩減沖擊力，著陸器的每條支架腿都能吸收沖擊力，其每只腳都做了一個大“鞋墊”，讓它在月面上能滑一下。為此，有專家認為，嫦娥-3面臨的最大難題是如何在月面上軟著陸。

嫦娥-3的著陸地點基本確定在月球虹灣地區(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，目前看來該地點是最佳著陸選擇。著陸器帶有敏感探測功能，將自動避開月面障礙，通過懸停實現(xiàn)軟著陸，落到哪里就對哪里進行科學探測。月球車位于著陸器頂端，當著陸器在月面實現(xiàn)軟著陸時，月球車通過自帶滑梯釋放并自行工作，在月球表面進行行走，走到哪里探測到哪里。在月球車的桅桿上有兩對相機和一根定向天線，下面的白色機械臂則用于對月表成分進行探測。它還會在月球表面采集一些樣品，進行就位分析，然后將分析的結(jié)果、月面圖像及地質(zhì)地貌情況傳回地球。

另外，月球的一天約相當于地球的27天，而且13天半是陽光普照的白天，13天半是寒冷的黑夜。白天太陽熱流照射時間長，最高溫達150攝氏度；月夜沒有太陽光照，溫度可下降至零下180攝氏度。低溫對嫦娥-3是個嚴峻考驗，因為很多設備的工作溫度都有嚴格限制，關鍵是冷的時候沒有太陽，這就意味著沒有電。此外，月球表面塵埃帶電，會給太陽電池、光學器件等帶來不利影響。這些問題是人造地球衛(wèi)星不曾遇到的。因此，葉培建院士表示，嫦娥-3任務要突破的技術很多，其中一個最大的難點就是解決月夜生存的問題，這需要突破很多技術，尤其是月面生存必用的熱控制技術，將通過多途徑保溫。嫦娥-3將首次采用核電源——同位素溫差電源與熱利用技術、先進的熱控技術、低重力環(huán)境下機構(gòu)的重復展開與收攏、月塵環(huán)境下機構(gòu)的潤滑與密封等技術，確保探測器系統(tǒng)順利度過月夜。例如，到了晚上，原本展開的太陽翼就會折疊起來，像被子一樣蓋在月球車上。

2018年前后，我國還將突破采樣器、月地飛行技術和高精細月球樣品分析技術等，發(fā)射嫦娥-5月球采樣返回探測器，對月球進行精查。其核心任務是實現(xiàn)月球樣品采集并自動返回地球，供科學家更深入地了解月球。

“嫦娥工程”使我國的月球科學、比較行星學、空間天文學等基礎研究領域取得了較大進展，提升了我國航天技術水平并促進了眾多相關技術發(fā)展，為我國進一步開展深空探測以及未來載人登月奠定了基礎。

另外，據(jù)《2011年中國的航天》白皮書透露，我國正在開展載人登月前期方案論證，已有中國科技專家建議我國在2025年或2030年進行載人登月。

Box 月球車的種類

月球車一般分為兩類：一類是無人駕駛月球車，它由輪式底盤和儀器艙組成，載有多種科學探測設備，用太陽能電池和蓄電池聯(lián)合供電，其行駛是靠地面遙控指令，可在月面進行巡視探測。我國的嫦娥-3、4以及前蘇聯(lián)的月行者-1、2月球車屬于這類，也可稱為月球機器人。另一類是有人駕駛月球車，主要作為交通工具用于擴大航天員的活動范圍，減少體力消耗，可隨時存放航天員采集的巖石和土壤標本。美國“阿波羅”載人登月飛船曾使用這種類似電瓶車的月球車。

軟著陸和月球車

在人類進行月球與深空探測活動中，軟著陸探測是踏上另一個星球進行實地科學探測的第一步。實現(xiàn)我國首次地外天體的軟著陸，能使我國掌握深空探測和空間科學領域的核心技術，獲得月球及地月空間的科學數(shù)據(jù)，取得一批原創(chuàng)性的科學成果，催生一批邊緣和交叉學科的出現(xiàn)與發(fā)展；建立較為完備的月球探測工程系統(tǒng)和相關基礎設施，提升我國深空探測的系統(tǒng)集成能力，實現(xiàn)航天技術的跨越式發(fā)展；研制適應復雜月面環(huán)境的新型探測器，帶動相關領域的自主創(chuàng)新，促進相關產(chǎn)業(yè)和技術的發(fā)展。

用嫦娥-3實現(xiàn)我國首次對地外天體的直接探測，要突破和掌握多項關鍵技術，例如，地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射技術、月球軟著陸技術、月面巡視技術、探測器間相互通信與遙操作技術和月夜生存技術等，這樣才能開展月球區(qū)域性的精細就位探測。在整個探測過程中，包括地月轉(zhuǎn)移+環(huán)月+軟著陸/巡視勘察幾個階段。

由于月球表面的熱工況和太陽照射等條件與地球不同，所以為保證著陸器的正常工作，必須研究以下內(nèi)容：月表軟著陸探測器總體設計技術；著陸軌道設計與控制；著陸過程動力學分析設計；著陸過程地面試驗技術。

月球軟著陸方式常采用先環(huán)月再著陸的飛行程序；緩沖可分為氣囊式和著陸機構(gòu)式兩類；通信保障的主要困難來自于巨大的距離擴散損耗、長時間的延遲及低覆蓋率等問題，可采取提高星上測控通信設備的功率、提高天線增益和增加地面天線的尺寸等措施。

月表軟著陸主要可分為探測器接近月面、軟著陸發(fā)動機點火、著陸撞擊直至穩(wěn)定三個階段。由于月球表面沒有大氣層，因此無法借助氣動力來減速著陸，必須使用軟著陸發(fā)動機和著陸緩沖裝置。

著陸緩沖裝置可有花瓣式、桁架式和薄壁殼體式等幾種結(jié)構(gòu)形式。從工程技術實現(xiàn)的角度來看，月球軟著陸探測要攻克以下幾項關鍵技術：著陸軌道設計與制導、導航控制；著陸緩沖；月面探測的測控通信；月面工作的熱控與電源技術。

月球表面自動巡視探測技術主要是通過月球車在月球表面自動行駛，利用車載有效載荷對月面進行全景和近景攝影，對月表的化學成分進行分析，并把所獲取的信息傳送回地面。由于月球表面環(huán)境惡劣，地形復雜多變，因此月球表面自動巡視探測技術包含很多關鍵技術，主要有月球車的總體設計、自主導航和運動控制方法以及地面仿真實驗技術等。

月球車具有移動性、適應性、自主性和功能性四個特點，一般包括移動子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機構(gòu)子系統(tǒng)、導航與控制子系統(tǒng)、綜合電子子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、熱控子系統(tǒng)、測控與數(shù)傳子系統(tǒng)、機械臂子系統(tǒng)和科學儀器子系統(tǒng)等9個子系統(tǒng)。其關鍵技術是：月球車總體方案設計與優(yōu)化；移動技術；定位、路徑規(guī)劃與控制技術；同位素溫差電源及其相關技術；新型熱控技術；測控通信技術；仿真與地面驗證技術。