“嫦娥”筑夢廣寒宮

2013年12月14日晚，遠(yuǎn)赴太空的嫦娥三號月球探測器在月球虹灣著陸區(qū)著陸，“中國訪客”讓沉寂的“廣寒宮”不再清虛寂寥。中國人千百年來的登月夢想，終于由“嫦娥”變成現(xiàn)實(shí)。

12月15日23時(shí)許，正在月球上開展科學(xué)探測工作的嫦娥三號著陸器、巡視器順利完成互拍。通過電視直播展示的照片可以看到，在虹灣地區(qū)布滿礫石和塵埃的灰黑色月面上，著陸器被陽光照得一片金色，月球車“胸前”的五星紅旗鮮艷奪目。

隨后，中國探月工程總指揮馬興瑞宣布，“嫦娥三號”任務(wù)取得圓滿成功。

作為我國探月工程“繞、落、回”三步走中承上啟下的關(guān)鍵一步，嫦娥三號自12月2日發(fā)射升空以來，在為期14天的太空旅行中先后突破多窗口窄寬度準(zhǔn)時(shí)發(fā)射、月面軟著陸、兩器分離等關(guān)鍵技術(shù)?！皟善鳌钡某晒ヅ囊惨馕吨鼈償y帶的載荷順利工作，嫦娥三號“實(shí)現(xiàn)軟著陸、開展就位探測和巡視勘查”的任務(wù)目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

而隨著“嫦娥”成功落月，“玉兔”信步虹灣，中國的探月步伐也將迎來新的征程?？梢灶A(yù)見，肩負(fù)著探月使命的“嫦娥”，在未來承擔(dān)更多中國深空探測重任的同時(shí)，還將用更為廣闊的視野和開放包容的心態(tài)，與世界各國分享探月成果?；蛟S，屆時(shí)的“廣寒宮”將成為人類探尋宇宙奧秘的新起點(diǎn)。

從升空到著陸，肩負(fù)中國探月工程“落月”重任的嫦娥三號進(jìn)行了為期14天的太空旅行，并最終著陸于月球北緯43度、西經(jīng)31度的虹灣地帶。此次“奔月”主要分為發(fā)射、圓軌道繞月、橢圓軌道繞月、動(dòng)力下降、“玉兔”登月和月面工作六大工作階段。

第一階段：飛行5天

長征三號乙遙二十三運(yùn)載火箭搭載嫦娥三號在西昌發(fā)射，由運(yùn)載火箭直接送入近地點(diǎn)約200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)約38萬千米的地月轉(zhuǎn)移軌道。飛行時(shí)間約為5天，其間進(jìn)行2至3次中途修正。

第二階段：圓軌道繞月4天

近月制動(dòng)后，進(jìn)入100×100千米的環(huán)月圓軌道，運(yùn)行約4天后，實(shí)現(xiàn)變軌。

第三階段：橢圓軌道繞月4天

變軌后進(jìn)入100×15千米的橢圓軌道，運(yùn)行約4天后，從高度約15千米的近月點(diǎn)開始動(dòng)力下降。

第四階段：下降720秒后著陸

動(dòng)力下降的時(shí)間為720秒。其間，嫦娥三號利用微波測距敏感器、激光測距敏感器進(jìn)行對月測距測速，利用光學(xué)成像敏感器在接近段進(jìn)行粗避障，利用激光三位成像敏感器在懸停段進(jìn)行精避障，實(shí)現(xiàn)安全區(qū)軟著陸。

第五階段：“玉兔”登月

著陸后，完成月球車釋放，著陸器建立工作狀態(tài)?！坝裢锰枴痹虑蜍囈苿?dòng)到轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上，隨轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到位，并駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，抵達(dá)月面。

第六階段：月面工作3個(gè)月到1年

此后，在月晝期間，著陸器在原地進(jìn)行科學(xué)探測，月球車進(jìn)行巡視勘察。著陸器在月面的工作時(shí)間是一年，月球車為三個(gè)月。

截至目前，不包括嫦娥三號，世界上共進(jìn)行了129次月球探測活動(dòng)。其中，美國59次，前蘇聯(lián)64次，日本和中國各2次，歐洲太空局和印度各1次，成功或基本成功66次，失敗63次，成功率僅為51%。為攻克難關(guān)，保證任務(wù)圓滿完成，科研人員在發(fā)射、測控、著陸等幾大方面實(shí)現(xiàn)了歷史性突破。

發(fā)射窗口是指適合航天器發(fā)射的時(shí)間范圍，此范圍的大小亦稱發(fā)射窗口的寬度。據(jù)運(yùn)載火箭系統(tǒng)總指揮岑拯介紹，本次任務(wù)的窗口期為3天，共設(shè)計(jì)了6個(gè)發(fā)射窗口。

岑拯說，發(fā)射窗口的選擇需符合多項(xiàng)條件，首先是我國測控地理位置，以及航天器入軌之后和太陽、地球的相互關(guān)系。探測器與火箭分離后，要能接收測控通訊信號，又要照到陽光，能吸收太陽能。同時(shí)本次任務(wù)是要奔赴月球，因此要兼顧月球運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此外為了預(yù)防受到惡劣天氣條件的影響，需要選擇連續(xù)3天以上的窗口期。2013年12月的這個(gè)窗口期，正是在多種條件下篩選而出的。

在3天的窗口期中，每天有2個(gè)發(fā)射窗口，共計(jì)6個(gè)。與普通航天器相比，嫦娥三號的發(fā)射窗口要求更為苛刻。運(yùn)載火箭系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師姜杰說，普通衛(wèi)星只需發(fā)射到軌道面上即可，窗口較寬，有時(shí)可達(dá)一小時(shí)以上；但嫦娥三號要進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，入軌精度高出數(shù)倍，窗口很窄。據(jù)了解，本次任務(wù)首個(gè)窗口只有4分鐘，如果錯(cuò)過，只能等到第二個(gè)窗口，且僅有1分鐘時(shí)間。

普通航天器發(fā)射時(shí)，如果錯(cuò)過一個(gè)窗口，只需等到下個(gè)窗口按原軌道發(fā)射即可。但嫦娥三號任務(wù)涉及地、月、探測器三體運(yùn)動(dòng)，因此6個(gè)窗口的軌道各不相同，為此科技人員付出了巨大努力。姜杰說，本次任務(wù)共完成了6條軌道的設(shè)計(jì)，6套制導(dǎo)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及6個(gè)狀態(tài)的硬件、軟件，這些工作都進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。

嫦娥三號任務(wù)測控通信指揮部指揮長陳宏敏表示，本次任務(wù)包括月球軟著陸、兩器協(xié)同控制、巡視器遙操作等前所未有的新環(huán)節(jié)。還具備四個(gè)“不可逆”環(huán)節(jié)，包括近月制動(dòng)控制、15公里降軌控制、動(dòng)力下降控制和兩器分離遙操作控制，這些環(huán)節(jié)過程復(fù)雜、控制約束條件多，還必須一次完成，一旦失誤便難以挽回。

在本次任務(wù)中，啟用了由直徑達(dá)66米的我國首個(gè)深空測控天線，以及喀什35米測控站、上海65米射電天文望遠(yuǎn)鏡組成的深空測控網(wǎng)，北京航天飛行控制中心也新建了深空干涉測量信號信息處理中心，為任務(wù)提供高精度測軌控制。

為滿足地月間的測控距離，我國探月工程均采用了VLBI（甚長基線干涉測量）系統(tǒng)，但傳統(tǒng)的VLBI測量方法和數(shù)據(jù)處理十分復(fù)雜。嫦娥一號、二號任務(wù)期間，各臺(tái)站的數(shù)據(jù)是先通過網(wǎng)絡(luò)傳到上海天文臺(tái)處理，再傳到北京飛控中心，需要10分鐘左右。而此次任務(wù)中的數(shù)據(jù)處理方法得到了很大改進(jìn)，處理、傳輸過程僅需1分鐘。同時(shí)在測量方法上加入了多項(xiàng)新技術(shù)，使測量精度大幅提高。

月球軟著陸無疑是本次任務(wù)中最大看點(diǎn)之一。與嫦娥一號、二號相比，從下降到著陸過程是嫦娥三號面臨的全新任務(wù)，完全靠探測器自主完成。

要在沒有大氣的月面實(shí)現(xiàn)短時(shí)間降落著陸，傳統(tǒng)的降落傘全無用武之地，只能靠發(fā)動(dòng)機(jī)反推并調(diào)節(jié)推力來實(shí)現(xiàn)。探測器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲介紹，嫦娥三號主發(fā)動(dòng)機(jī)是我國航天器所用推力最大的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在降落過程中，高度控制尤為關(guān)鍵，這需要我國自主研制的敏感器發(fā)揮作用。隨著落月過程的開始，敏感器就會(huì)精確測量嫦娥三號與月面的距離。當(dāng)距月面數(shù)米高時(shí)，它將發(fā)出關(guān)機(jī)指令關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。此關(guān)機(jī)指令的發(fā)出，是實(shí)現(xiàn)落月的關(guān)鍵動(dòng)作。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)反推力的撤離，著陸器在月球引力作用下以自由落體的方式著陸。盡管月球引力僅為地球的1/6，但為了盡可能保護(hù)設(shè)備，科技人員對著陸緩沖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。探測器系統(tǒng)著陸器著陸緩沖分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師楊建中說，嫦娥三號的緩沖機(jī)構(gòu)與阿波羅號有些相似，通常被稱為“著陸腿”。

要承受著陸器落月的沖擊，足夠的強(qiáng)度是著陸腿需具備的首要條件。楊建中說，要滿足強(qiáng)度要求很簡單，但嫦娥三號要飛到月球，對重量控制非常嚴(yán)格，所有部件都要盡可能的輕。為此，科技人員對著陸腿進(jìn)行了精雕細(xì)琢，去除任何多余的成分，讓它充滿“肌肉”，沒有一絲多余“脂肪”。

同時(shí)著陸腿還要滿足多項(xiàng)條件，如著陸時(shí)舒適、柔和，四條腿協(xié)調(diào)、穩(wěn)定，并具備收攏、展開、支撐等功能。此外，在著陸腿的“腳底”還設(shè)置了傳感器，觸月時(shí)將發(fā)出信號，表示穩(wěn)定落月。

作為這部“嫦娥奔月”大片的主角，“玉兔號”月球車的表現(xiàn)備受外界期待。中國航天科技集團(tuán)宇航部部長趙小津指出，嚴(yán)格意義上說，月球車并不是一輛車，而是一個(gè)長著輪子能夠適應(yīng)惡劣空間環(huán)境，并開展空間科學(xué)探測的航天器，是一個(gè)低功耗、高智能的機(jī)器人。

月球車將在月球表面自主“行走”巡視探測，可耐受300度的溫差。據(jù)了解，月球車上除了各種照相機(jī)、紅外光譜儀和粒子激發(fā)X射線譜儀外，還在車底安裝了雷達(dá)，將探測月球地表以下100米左右深度的地下結(jié)構(gòu)。有專家指出，這是前人從未做過的，將對月球次表層探測作出貢獻(xiàn)。

“月球重力是地球的1/6，表面土壤非常松軟，凹凸不平，有石塊、隕石坑，還有陡峭的高坡。在這種環(huán)境中，月球車既不能打滑，更不能翻車?！比虆⑴c研制的主任設(shè)計(jì)師肖杰說，“玉兔號”在月面巡視時(shí)采取自主導(dǎo)航和地面遙控的組合模式，不僅可以自主前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退，還可以原地打轉(zhuǎn)、橫向側(cè)擺，確保在危機(jī)四伏的月面上暢行無阻?！?/p>

月球車還可以自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能自動(dòng)喚醒重新工作。此間，“玉兔號”會(huì)對月表進(jìn)行三維光學(xué)成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析等。

嫦娥三號由著陸器和巡視器（“玉兔號”月球車）組成，在月球著陸后，它們分開并互拍照片留念，然后各自開展科學(xué)考察工作。

其中，著陸器上搭載了天文月基望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家希望它能發(fā)揮“月球天文臺(tái)”的作用。據(jù)探月工程二期副總設(shè)計(jì)師孫輝先介紹，月基望遠(yuǎn)鏡由望遠(yuǎn)鏡主體、反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)組成，可對各種天文變源的亮度變化行為進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測，然后拍照把數(shù)據(jù)傳回地球。

同時(shí)，著陸器還搭載了極紫外相機(jī)，將對地球周圍等粒子體群的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。據(jù)了解，太陽風(fēng)暴會(huì)將許多粒子以每秒一千多公里的速度吹到地球，這些粒子被地球磁場捕獲后，便在地球周圍形成了等離子體層。太陽風(fēng)暴對人類產(chǎn)生了很多負(fù)面影響，同時(shí)也蘊(yùn)含了巨大電力，甚至超過全球發(fā)電量，但人類目前還無法使用。為此，科學(xué)家一直試圖對它進(jìn)行研究探索。美國曾經(jīng)利用衛(wèi)星在地球軌道上觀測，也只能看到局部。而嫦娥三號在距離地球38萬公里的月面，能夠看到地球等離子層的全貌，并有望通過全方位、長期的觀測研究，獲取地球等離子體層三維圖像。如果實(shí)現(xiàn)，將有助于了解太陽和地球的相互關(guān)系。

不同于地球，月球表面晝夜溫差較大，溫度高時(shí)有120℃，溫度低時(shí)在-180℃。而且月球的晝夜交替周期也較長，這給嫦娥三號的月面生存帶來了很大困難。

中國航天科技集團(tuán)著陸器熱控分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師劉自軍用“蓋被子”、“生爐子”和“開空調(diào)”等熟知的概念，解釋了嫦娥三號的熱控設(shè)計(jì)。嫦娥三號上有一個(gè)多層隔熱組件，也就是所謂的“被子”，可以雙向隔熱，外部高溫時(shí)熱量不能往里傳，外部寒冷時(shí)里面熱量不外漏。

寒冷時(shí)嫦娥三號還得“生爐子”。“爐子”主要是同位素核源，它能夠持續(xù)放熱。設(shè)計(jì)師們還設(shè)計(jì)了重力驅(qū)動(dòng)的兩項(xiàng)流體回路，在需要時(shí)將熱量導(dǎo)入艙內(nèi)，不需要時(shí)切斷傳熱途徑。

到了月晝時(shí)，虹灣溫度迅速升高至90℃，在月球表面，散熱的方式只有熱輻射。設(shè)計(jì)師們在探測器上精心設(shè)計(jì)了幾個(gè)散熱面，可以把設(shè)備發(fā)出的熱量散出去。

嫦娥三號奔向月球，浩瀚太空將再次見證“中國創(chuàng)造”的力量。中國成為繼美俄之后第三個(gè)掌握落月探測技術(shù)的國家，嫦娥三號也是美國阿波羅計(jì)劃結(jié)束后世界上重返月球的第一個(gè)軟著陸探測器。嫦娥三號任務(wù)被視為探月工程的關(guān)鍵一步，對整個(gè)探月工程乃至航天事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。成功實(shí)現(xiàn)這一步，意味著中國航天工程突破了月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運(yùn)載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)。

新加坡《聯(lián)合早報(bào)》報(bào)道稱，月球探測作為一項(xiàng)非常復(fù)雜并且具有高風(fēng)險(xiǎn)的工程，投入其中的不僅是中國的頂尖科學(xué)技術(shù)與人才，還有國家財(cái)力的巨大支持，因此航天工程也是中國綜合國力的展現(xiàn)。北京航空航天大學(xué)教授王湘穗指出，“嫦娥奔月”探月工程是為載人登月工程做準(zhǔn)備，嫦娥三號探測器的成功發(fā)射也標(biāo)志著中國航天技術(shù)系統(tǒng)工程扎實(shí)地進(jìn)步。（本刊綜合）※