新穎別致的嫦娥-3著陸器

嫦娥-3著陸器在月面工作示意圖（神舟傳媒 制）

嫦娥-3任務(wù)由探測器、運載火箭、發(fā)射場、測控和地面應(yīng)用五大系統(tǒng)構(gòu)成，其中最引人注目的探測器系統(tǒng)由中國航天科技集團公司中國空間技術(shù)研究院為主承擔(dān)，其有效載荷由中國科學(xué)院負責(zé)研制。它的寬度為4m、高有4.2m，發(fā)射質(zhì)量3780kg，其中干質(zhì)量1220kg。落月后，在測控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)支持下，嫦娥-3攜帶的有效載荷開展科學(xué)探測。嫦娥-3由著陸器和巡視器（又叫玉兔號月球車）組成，其中的著陸器在嫦娥-3軟著陸過程中起著舉足輕重的作用，并裝有2臺在世界上首次應(yīng)用的科學(xué)探測儀器。

1 著陸器性能優(yōu)異

嫦娥-3的著陸器是我國成功開發(fā)的新型航天器平臺，采用了梁板復(fù)合式結(jié)構(gòu)和可大范圍伸縮的四腿式著陸緩沖機構(gòu)，設(shè)計了自主式、高精度的分段減速懸停式無人著陸控制方案,能夠自動智能選定著陸點、進行精確懸停著陸，是我國迄今為止最復(fù)雜的航天器之一。

其質(zhì)量為1080kg，設(shè)計壽命12個月，由結(jié)構(gòu)與機構(gòu)，著陸緩沖，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制，推進，熱控，測控數(shù)傳，定向天線，數(shù)據(jù)管理，一次電源，總體電路，有效載荷共11個分系統(tǒng)以及工程參數(shù)測量設(shè)備等組成，要掌握著陸自主導(dǎo)航控制、著陸變推力推進系統(tǒng)、著陸緩沖系統(tǒng)、月面生存熱控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)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15km處開始動力下降，經(jīng)過主減速、快速調(diào)整、接近、懸停、避障、緩速下降等飛行階段，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)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，著陸器將控制轉(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。

嫦娥-3探測器系統(tǒng)著陸器副總設(shè)計師張熇說：著陸器的功能是先實現(xiàn)地月飛行，然后軟著陸到月面上，最后留在月面上開展就位探測。嫦娥-3與嫦娥-1、2最大的不同是動力下降段的著陸。著陸主要有三大關(guān)鍵技術(shù)需要攻克，一是著陸的自主導(dǎo)航控制；二是著陸的推進技術(shù)，我國首次采用了電功率發(fā)動機；三是著陸的緩沖技術(shù)。著陸器還涉及到其他一些關(guān)鍵技術(shù)，比如說發(fā)動機的羽流對探測器的影響。再有就是著陸的力學(xué)環(huán)境，因為最終著陸撞擊月面，經(jīng)過緩沖后還是會對設(shè)備帶來一定的力學(xué)沖擊，專家在做了大量的研究后，對著陸以后要工作的設(shè)備提出糾正力學(xué)環(huán)境條件考核，這個也是以前的航天器所沒有遇到過的問題。另外一個關(guān)鍵技術(shù)就是月塵，月面上有一層薄薄的月壤，表面這層很細的月壤在著陸器的發(fā)動機的噴流的作用下，會揚起一定的月塵。月塵落到探測器上對光學(xué)敏感的設(shè)備等都會有影響。因為著陸的時候如果帶著很大的太陽電池翼，一沖擊端板可能就會折斷。所以研制了一種全新的可重復(fù)展收的太陽電池翼，這也是以前航天器上沒有用過。飛行過程中把太陽電池翼展開，著陸前把它收起來，著陸到外面后再把它展開，這里面的一些相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)都解決了。

為嫦娥-3著陸器安裝著陸腿（裴英 攝）

據(jù)探測器系統(tǒng)著陸器著陸緩沖分系統(tǒng)主任設(shè)計師楊建中介紹：嫦娥-3著陸緩沖分系統(tǒng)跟“阿波羅”的緩沖機構(gòu)有些相似。著陸緩沖機構(gòu)主要用來緩沖著陸器的沖擊能力，俗稱也是著陸腿。嫦娥-3的著陸腿可用8個字來概括它的特點，即強、輕、柔、穩(wěn)、多、新、全、難。強是因為它要承受著陸器的沖擊，一定要有足夠的強度，不能在著陸過程中裂了、斷了、折了。為了降低成本，它還要盡可能的輕，即在輕的基礎(chǔ)上實現(xiàn)強。三個是柔，即通過相應(yīng)的緩沖材料保證著陸器以非常柔和、舒適的方式來著陸，確保著陸器和儀器設(shè)備的安全。四是穩(wěn)，通過四條著陸腿的協(xié)調(diào)工作，保證著陸過程中姿態(tài)非常穩(wěn)定，而不是以很傾斜的方式，甚至翻倒。五是多，著陸腿的功能實際不僅僅是緩沖，還有很多，比如收攏、展開、支撐，最后還有指示，在足底上，形象稱它為鞋底兒有開關(guān)，一旦觸月，它就發(fā)出一個信號，一旦這個信號穩(wěn)定地傳輸過來，就意味著穩(wěn)定落月。六是新，它體現(xiàn)在兩個方面，結(jié)合中國落月任務(wù)的特點打造出了“中國腿”，個性很鮮明；在打造“中國腿”的過程中，帶動了相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展。七是全，實現(xiàn)技術(shù)跨越和團隊建設(shè)的雙豐收。八是難，從上面七特點看，打造“中國腿”不但要克服了很多研制中的困難，還有克服了驗證上的困難，特別是全面驗證的困難。

著陸器攜帶了地形地貌相機、降落相機、極紫外相機、月基光學(xué)望遠鏡4種有效載荷以及著陸器電控箱進行就位探測，配置的工程載荷有監(jiān)視相機和月塵測量儀。

2 著陸器攜帶的儀器

（1）地形地貌相機

地形地貌相機裝在相機指向機構(gòu)上，隨相機指向機構(gòu)轉(zhuǎn)動。它主要由遮光罩、光學(xué)鏡頭、電子學(xué)單元、圖形壓縮板組成；波段范圍為可見光，成像方式為靜態(tài)拍照與動態(tài)攝像交替切換。它用于獲取著陸區(qū)的光學(xué)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。其特點是重量輕、功耗小，可以拍視頻，但只有15個地球日的壽命，即在月表只工作一個月晝，因為再多拍就是重復(fù)拍攝了。

嫦娥-3著陸器結(jié)構(gòu)圖

鏈接：等離子體層是地球磁場跟太陽風(fēng)相互作用的近地空間環(huán)境，在地球軌道上用衛(wèi)星觀測地球等離子體層，只能看到局部，看不到全貌。嫦娥-3遠離地球，所以能夠看到地球等離子層的全貌，而且一看就是半個地球，可以連續(xù)看13.5天,即能長期地、全面地、整體地看，長時間地跟蹤觀測可以從整體上探測太陽活動、地磁擾動對地球空間等離子體層的影響，關(guān)鍵是可以觀測到動態(tài)和變化，獲取地球等離子體層三維圖像。還有觀點認為，地球上一些自然災(zāi)害與地球等離子體層有關(guān)，這也是有可能的，因為地球上很多自然現(xiàn)象都跟太陽活動有關(guān)，所以相關(guān)的研究也具有科學(xué)意義。

（2）降落相機

降落相機的光學(xué)、結(jié)構(gòu)、電子學(xué)系統(tǒng)和溫控采用一體化綜合設(shè)計，主要由遮光罩、光學(xué)鏡頭、電子學(xué)和機箱組成；波段范圍為可見光，正常成像距離為不小于4m。它用于在著陸器動力下降過程中，在2km～4m各個高度獲取著陸區(qū)域的光學(xué)成像，即月貌特征圖、地形地貌圖像，從而分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)情況。它僅在著陸過程中使用，并給月球車要走的路徑拍一個詳細的地圖，對月貌特征進行黑白成像。

（3）極紫外相機

極紫外相機安裝在著陸器的頂部，主要包括三個部分。一是光學(xué)系統(tǒng)，二是成像探測器，三是跟蹤功能系統(tǒng)。它通過對地球周圍的等離子體層進行全方位、長期的觀測研究，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。

極紫外相機是世界上首次在月球上應(yīng)用。它既可拍攝月球的地形地貌，也能在飛行過程中拍攝地球，它將利用月球穩(wěn)定、真空環(huán)境，對地球周圍的等離子層空間環(huán)境的整體變化進行長達1年的全方位穩(wěn)定觀測，包括離子體層的密度、結(jié)構(gòu)變化，反映地球空間大范圍的環(huán)境變化，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(yù)報能力。這有助于了解太陽和地球的相互關(guān)系。地球等離子體層可以阻擋大部分太陽風(fēng)落到我們地球表面，阻擋絕大部分高能的宇宙射線進入地球，是地球的一個保護屏障，它的變化對我們地球的空間天氣影響很大，也可能影響地球的生存。人造地球衛(wèi)星也可以看到更詳細的變化，但是無法掌握實時的、整體性的規(guī)律。

地形地貌相機（左）（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

降落相機（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

月基光學(xué)望遠鏡反射鏡和轉(zhuǎn)臺（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

極紫外相機（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

鏈接：空間望遠鏡也不會受到大氣層的擾動，但是由于沒有固定的地方，容易受到太空碎片的影響。月基光學(xué)望遠鏡比軌道觀測又進了一步。月球大約27個地球日才自轉(zhuǎn)一周，所以可對一個目標(biāo)開展長達300多小時的持續(xù)跟蹤。另外，月球上引力場的微弱，減輕了儀器結(jié)構(gòu)強度和制造的困難，而且對儀器的操作和控制也變得更為容易。這次攜帶天文月基望遠鏡更多是試驗性質(zhì)，看設(shè)備能否運行正常，如果這次試驗可行，以后會在月球上安裝更大的望遠鏡，即在月球上建立天文臺。

（4）月基光學(xué)望遠鏡

月基光學(xué)望遠鏡由望遠鏡主體和反射鏡轉(zhuǎn)臺組成，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(xué)天文觀測。它是以月球為基地觀測天文的設(shè)備，將在世界上首次實現(xiàn)月基天文觀測，可對重要天體的光變進行長期連續(xù)監(jiān)測并對低銀道帶進行巡天觀測,連續(xù)觀測時間更長，看得更遠。因為月球上有特殊的空間環(huán)境：高真空、無大氣、低磁場、弱重力、無污染、地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、宇宙射線豐富，沒有電離層和磁層的干擾以及各種人為活動和污染，所以這臺高精度望遠鏡將“看”得更遠更清晰，進一步擴展人類的眼界，可能會有一些新發(fā)現(xiàn)。由于近紫外月面天文望遠鏡的獨創(chuàng)性，2012年9月國際月球觀測臺協(xié)會（ILOA）和中國國家天文臺（NAOC）簽訂協(xié)議，共享嫦娥-3著陸器上的近紫外月基光學(xué)望遠鏡望和谷歌月球探月競賽（Google Luna X Prize）中ILO-X探測器的銀河系圖片數(shù)據(jù)，這將是中美近年來在航天領(lǐng)域的首次合作。

據(jù)探月工程二期副總設(shè)計師孫輝先介紹：在地球上想看天文都要透過大氣看，而大氣會引起光的散射。月球上沒有大氣，在月球上看就能避免這一點，而且還比較固定。月基光學(xué)望遠鏡是觀測紫外的光，這個波段在地球上是看不到的。因為這個波段進入到地球時全部被大氣所吸收了。它有兩個特點，一是它不完全是搖控，而是通過地面系統(tǒng)發(fā)一個命令自主展開。二是選擇了一個叫極紫外的波段，這個波段在地球地面上是不可能觀測到的，它必須要空間去完成。這個波段對一些星體的突然爆發(fā)現(xiàn)象非常敏感。整個國際天文界可以共享我國獲得的探測資料。月基光學(xué)望遠鏡要連續(xù)工作一年。

著陸器有效載荷電控箱由中科院空間中心研制。它由計算機單元、電源配電單元、遙測及總線單元、測控接口單元、地形地貌相機電子學(xué)單元、極紫外電子學(xué)單元、月基光學(xué)望遠鏡電子學(xué)單元組成，用于將各個有效載荷電子學(xué)部分統(tǒng)一進行設(shè)計，將功能相似或相近的資源共享，提高資源利用率。

嫦娥-3著陸器馱著玉兔號月球車在月面軟著陸示意圖（神舟傳媒 制）

（5）著陸器有效載荷月面工作模式

1）有效載荷在發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段不工作。

2）在動力下降段，降落相機開機工作，在2km～4m各個高度獲取降落區(qū)域的月貌特征圖。

3）著陸在月面后，降落相機關(guān)機。

4）著陸月面后第一個月晝，有效載荷地形地貌相機、極紫外相機、月基光學(xué)望遠鏡和著陸器有效載荷電控箱開機工作，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)。

5）地形地貌相機工作壽命為15個地球日，第一個月晝完成所有科學(xué)探測，不過月夜。

6）極紫外相機、月基光學(xué)望遠鏡工作壽命1年，在月夜期間關(guān)機進入保溫模式。

7）第2個月球日的月晝，極紫外相機、月基光學(xué)望遠鏡和著陸器有效載荷電控箱開機工作，進行常規(guī)模式的科學(xué)探測。

月球上的環(huán)境可算極端，晝夜溫差，著陸之后還很可能揚起月塵，這些都會影響儀器正常工作。因此，探測器著陸后一天左右，要等到所有的月塵都落下來，才會打開極紫外相機的外罩和月基光學(xué)望遠鏡的艙蓋。對著陸器和月球車來說，怎么防月塵是設(shè)計和研制過程中遇到的最大困難之一。比如，極紫外相機安裝在著陸器頂部，因此設(shè)計有一個外罩，一方面為了防月塵，另外，這個蓋子本身帶一個熱源，可以在過月夜的時候蓋上，保證內(nèi)部的適當(dāng)溫度。