嫦娥奔月——中國第一位月球使者

龐之浩

兩大設備

嫦娥三號由著陸探測器（簡稱著陸器）和巡視探測器（簡稱巡視器，俗稱月球車）組成，因此發射嫦娥三號實際上是發射了兩個月球探測器。兩器分離前，巡視器由著陸器搭載；分離后，它們成為兩個獨立的探測器，各自展開月面探測工作。

著陸器

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的光學成像；降落相機用于在著陸器動力下降過程中，在2000米至4米各個高度獲取著陸區域的光學成像；極紫外相機用于在月晝期間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月晝期間進行月基光學天文觀測。

巡視器

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與巡視區月表光學成像；測月雷達用于直接探測30米內月壤結構和測量月面以下100～200米深處的淺層月殼結構；紅外成像光譜儀用于巡視區月表紅外光譜分析和成像探測任務；粒子激發X射線譜儀用于巡視區月表物質主量元素含量的現場分析等。

七大創新

首次實現我國航天器在地外天體軟著陸。目前，世界上僅有美國、蘇聯成功實施了13次無人月球表面軟著陸，中國是第3個實施月球軟著陸的國家。嫦娥三號探測器經過主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段等6個階段的減速，實現從距月面15千米高度安全下降至月球表面。

首次實現我國航天器在地外天體巡視探測。中國是第2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環相扣，任何一個動作都影響任務成敗。

首次研制建設一系列高水平特種試驗設施，創新形成了一系列先進試驗方法。

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。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，實現了高精度、快速測定軌道和月面定位目標。

首次實現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合的方式，根據獲取的環境參數，在地面完成任務規劃，而月球車自主完成局部規劃、避障并具備安全監測、應急保護的能力。

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，實現探測器在極端溫度環境下的月面生存。

首次在月面開展多種形式的科學探測。嫦娥三號搭載了8臺科學載荷，用以完成3項科學探測任務，并創3個第一：其中的月基光學望遠鏡開創了國際首次在月面開展天文研究的新領域；極紫外相機首次實現國際在月面對地球等離子體層進行極紫外成像；測月雷達可在國際首次建立集形貌、成分、結構于一體的綜合性觀測剖面，建立起月球區域綜合演化動力學模型。

三大挑戰

為了完成嫦娥三號的任務，需要攻克多項關鍵技術，且技術難度大、實施風險高。完成嫦娥三號任務最大的難關是著陸關和月夜生存關，另外還有巡視關。

嫦娥三號最大的風險是軟著陸這個環節。因為月球是真空環境，軟著陸時不能使用降落傘，所以嫦娥三號只能是一邊降落，一邊用反推發動機把速度降下來。又由于月球表面凹凸不平，因此為了避開大石頭和大坑，在著月過程中要尋找著陸點。在嫦娥三號降落距月面約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，最后一直靠反推發動機慢慢下降。由于在落月過程中需要嫦娥三號的發動機推力變化很大，傳統發動機無法達到所需的能力，所以專門研制了1500～7500牛的變推力發動機，它是目前國內航天器中最大的。當降到離月面4米高度時，要關閉發動機，以免揚起月塵，污染相機鏡頭或影響其他設備工作。之后，嫦娥三號自由下降，最后依靠著陸器的4個支架腿緩沖落在月面上。嫦娥三號的著陸地點在月球虹灣區，主要是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。

嫦娥三號安全落月后面臨的最大難關，就是如何經受住月球晝夜極端溫差的考驗而“存活”下來。月球的一天相當于地球的28天，而且一半（14天）是陽光普照的白天，一半（14天）是寒冷的黑夜。其白天溫度可達150℃，而夜間溫度則會降到-180℃，所以月夜長時間低溫對嫦娥三號是一個嚴峻的考驗。為了解決這一難題，嫦娥三號首次采用了同位素熱源以及導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、低重力環境下機構的重復展開與收攏技術、月塵環境下機構的潤滑與密封技術等，以確保探測器系統順利度過月夜。這相當于給探測器蓋被子、生爐子、開空調。

同時，巡視關也不好過，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。對此，玉兔號在總體設計之初，就選取了6輪式、搖臂懸架方案，并經特殊設計和有關地面移動性能試驗、內外場試驗等，解決了月面移動的難題。

漫游月球

玉兔號是我國最高水平的智能“機器人”，可以自主導航，自主選擇探測路線，自主上下坡，規避撞擊坑和大型障礙物體。它采用6個空心彈性篩網輪子（可減輕重量，防止沾帶月塵和揚塵），其高1.5米左右的“脖子”上裝有360°全景相機。在自主視覺導航系統的配合下，玉兔號可觀察前方3米以內地貌，然后通過計算建立三維立體地圖，判斷和規劃行進路徑。如果遇到較大的坡、石塊或坑時，它可以避讓并繞開走，實現未知環境的自主安全避障和自主導航。玉兔號活動范圍為5平方千米，具有 20°爬坡、20厘米越障能力，移動速度可以達到200米/時。它在巡視過程中得到的數據可直接傳回地球或先傳給著陸器，再由著陸器傳給地球。遇到超過20°的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑，玉兔號能夠自主判斷安全避讓。

根據科學探測的需要，以上過程循環往復。依靠先進的設備，玉兔號能夠對巡視區月表進行三維光學成像，對月表進行紅外光譜分析，開展月壤厚度和結構的科學探測，對月表物質主要元素進行現場分析等等。它傳回來的數據，將幫助我們更加準確、更加直接地了解那個神秘美麗的月球。

嫦娥工程三次任務為什么要使用不同型號的火箭

長征三號甲系列火箭包括長征三號甲、長征三號乙和長征三號丙。長征三號甲可將2.6噸有效載荷送入地球同步轉移軌道。長征三號乙芯級與長征三號甲基本相同，但在第1級箭體上并聯捆綁了4個液體助推器，而且第2級加長，可將5.5噸有效載荷送入地球同步轉移軌道。長征三號丙是在長征三號甲火箭的基礎上捆綁有2個液體助推器，其地球同步轉移軌道運載能力介于長征三號甲和長征三號乙之間，為3.8噸。質量2350千克的嫦娥一號是用推力最小的長征三號甲發射的，質量2480千克的嫦娥二號是用推力較大的長征三號丙發射的，質量3780千克的嫦娥三號是用推力最大的長征三號乙發射的。endprint