“嫦娥”筑夢廣寒宮

2013年12月14日晚，遠赴太空的嫦娥三號月球探測器在月球虹灣著陸區著陸，“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”變成現實。

12月15日23時許，正在月球上開展科學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鍵一步，嫦娥三號自12月2日發射升空以來，在為期14天的太空旅行中先后突破多窗口窄寬度準時發射、月面軟著陸、兩器分離等關鍵技術。“兩器”的成功互拍也意味著它們攜帶的載荷順利工作，嫦娥三號“實現軟著陸、開展就位探測和巡視勘查”的任務目標已經實現。

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。可以預見，肩負著探月使命的“嫦娥”，在未來承擔更多中國深空探測重任的同時，還將用更為廣闊的視野和開放包容的心態，與世界各國分享探月成果。或許，屆時的“廣寒宮”將成為人類探尋宇宙奧秘的新起點。

從升空到著陸，肩負中國探月工程“落月”重任的嫦娥三號進行了為期14天的太空旅行，并最終著陸于月球北緯43度、西經31度的虹灣地帶。此次“奔月”主要分為發射、圓軌道繞月、橢圓軌道繞月、動力下降、“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載火箭搭載嫦娥三號在西昌發射，由運載火箭直接送入近地點約200千米、遠地點約38萬千米的地月轉移軌道。飛行時間約為5天，其間進行2至3次中途修正。

第二階段：圓軌道繞月4天

近月制動后，進入100×100千米的環月圓軌道，運行約4天后，實現變軌。

第三階段：橢圓軌道繞月4天

變軌后進入100×15千米的橢圓軌道，運行約4天后，從高度約15千米的近月點開始動力下降。

第四階段：下降720秒后著陸

動力下降的時間為720秒。其間，嫦娥三號利用微波測距敏感器、激光測距敏感器進行對月測距測速，利用光學成像敏感器在接近段進行粗避障，利用激光三位成像敏感器在懸停段進行精避障，實現安全區軟著陸。

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。“玉兔號”月球車移動到轉移機構上，隨轉移機構運動到位，并駛離轉移機構，抵達月面。

第六階段：月面工作3個月到1年

此后，在月晝期間，著陸器在原地進行科學探測，月球車進行巡視勘察。著陸器在月面的工作時間是一年，月球車為三個月。

截至目前，不包括嫦娥三號，世界上共進行了129次月球探測活動。其中，美國59次，前蘇聯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，保證任務圓滿完成，科研人員在發射、測控、著陸等幾大方面實現了歷史性突破。

發射窗口是指適合航天器發射的時間范圍，此范圍的大小亦稱發射窗口的寬度。據運載火箭系統總指揮岑拯介紹，本次任務的窗口期為3天，共設計了6個發射窗口。

岑拯說，發射窗口的選擇需符合多項條件，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。同時本次任務是要奔赴月球，因此要兼顧月球運動規律。此外為了預防受到惡劣天氣條件的影響，需要選擇連續3天以上的窗口期。2013年12月的這個窗口期，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個發射窗口，共計6個。與普通航天器相比，嫦娥三號的發射窗口要求更為苛刻。運載火箭系統總設計師姜杰說，普通衛星只需發射到軌道面上即可，窗口較寬，有時可達一小時以上；但嫦娥三號要進入地月轉移軌道，入軌精度高出數倍，窗口很窄。據了解，本次任務首個窗口只有4分鐘，如果錯過，只能等到第二個窗口，且僅有1分鐘時間。

普通航天器發射時，如果錯過一個窗口，只需等到下個窗口按原軌道發射即可。但嫦娥三號任務涉及地、月、探測器三體運動，因此6個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，本次任務共完成了6條軌道的設計，6套制導、控制系統的設計，以及6個狀態的硬件、軟件，這些工作都進行了充分的驗證。

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

在本次任務中，啟用了由直徑達66米的我國首個深空測控天線，以及喀什35米測控站、上海65米射電天文望遠鏡組成的深空測控網，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，但傳統的VLBI測量方法和數據處理十分復雜。嫦娥一號、二號任務期間，各臺站的數據是先通過網絡傳到上海天文臺處理，再傳到北京飛控中心，需要10分鐘左右。而此次任務中的數據處理方法得到了很大改進，處理、傳輸過程僅需1分鐘。同時在測量方法上加入了多項新技術，使測量精度大幅提高。

月球軟著陸無疑是本次任務中最大看點之一。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，完全靠探測器自主完成。

要在沒有大氣的月面實現短時間降落著陸，傳統的降落傘全無用武之地，只能靠發動機反推并調節推力來實現。探測器系統總設計師孫澤洲介紹，嫦娥三號主發動機是我國航天器所用推力最大的發動機。

在降落過程中，高度控制尤為關鍵，這需要我國自主研制的敏感器發揮作用。隨著落月過程的開始，敏感器就會精確測量嫦娥三號與月面的距離。當距月面數米高時，它將發出關機指令關閉發動機。此關機指令的發出，是實現落月的關鍵動作。

隨著發動機反推力的撤離，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，但為了盡可能保護設備，科技人員對著陸緩沖機構進行了精心設計。探測器系統著陸器著陸緩沖分系統主任設計師楊建中說，嫦娥三號的緩沖機構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，足夠的強度是著陸腿需具備的首要條件。楊建中說，要滿足強度要求很簡單，但嫦娥三號要飛到月球，對重量控制非常嚴格，所有部件都要盡可能的輕。為此，科技人員對著陸腿進行了精雕細琢，去除任何多余的成分，讓它充滿“肌肉”，沒有一絲多余“脂肪”。

同時著陸腿還要滿足多項條件，如著陸時舒適、柔和，四條腿協調、穩定，并具備收攏、展開、支撐等功能。此外，在著陸腿的“腳底”還設置了傳感器，觸月時將發出信號，表示穩定落月。

作為這部“嫦娥奔月”大片的主角，“玉兔號”月球車的表現備受外界期待。中國航天科技集團宇航部部長趙小津指出，嚴格意義上說，月球車并不是一輛車，而是一個長著輪子能夠適應惡劣空間環境，并開展空間科學探測的航天器，是一個低功耗、高智能的機器人。

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。據了解，月球車上除了各種照相機、紅外光譜儀和粒子激發X射線譜儀外，還在車底安裝了雷達，將探測月球地表以下100米左右深度的地下結構。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。

“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。在這種環境中，月球車既不能打滑，更不能翻車。”全程參與研制的主任設計師肖杰說，“玉兔號”在月面巡視時采取自主導航和地面遙控的組合模式，不僅可以自主前進、轉彎、后退，還可以原地打轉、橫向側擺，確保在危機四伏的月面上暢行無阻。”

月球車還可以自動進入休眠狀態，并能自動喚醒重新工作。此間，“玉兔號”會對月表進行三維光學成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結構科學探測，對月表物質主要元素進行現場分析等。

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，然后各自開展科學考察工作。

其中，著陸器上搭載了天文月基望遠鏡，科學家希望它能發揮“月球天文臺”的作用。據探月工程二期副總設計師孫輝先介紹，月基望遠鏡由望遠鏡主體、反射鏡轉臺組成，可對各種天文變源的亮度變化行為進行長時間連續監測，然后拍照把數據傳回地球。

同時，著陸器還搭載了極紫外相機，將對地球周圍等粒子體群的結構進行測量。據了解，太陽風暴會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。太陽風暴對人類產生了很多負面影響，同時也蘊含了巨大電力，甚至超過全球發電量，但人類目前還無法使用。為此，科學家一直試圖對它進行研究探索。美國曾經利用衛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。如果實現，將有助于了解太陽和地球的相互關系。

不同于地球，月球表面晝夜溫差較大，溫度高時有120℃，溫度低時在-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。

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

寒冷時嫦娥三號還得“生爐子”。“爐子”主要是同位素核源，它能夠持續放熱。設計師們還設計了重力驅動的兩項流體回路，在需要時將熱量導入艙內，不需要時切斷傳熱途徑。

到了月晝時，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。設計師們在探測器上精心設計了幾個散熱面，可以把設備發出的熱量散出去。

嫦娥三號奔向月球，浩瀚太空將再次見證“中國創造”的力量。中國成為繼美俄之后第三個掌握落月探測技術的國家，嫦娥三號也是美國阿波羅計劃結束后世界上重返月球的第一個軟著陸探測器。嫦娥三號任務被視為探月工程的關鍵一步，對整個探月工程乃至航天事業的發展具有重要意義。成功實現這一步，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、深空探測運載火箭發射等關鍵技術。

新加坡《聯合早報》報道稱，月球探測作為一項非常復雜并且具有高風險的工程，投入其中的不僅是中國的頂尖科學技術與人才，還有國家財力的巨大支持，因此航天工程也是中國綜合國力的展現。北京航空航天大學教授王湘穗指出，“嫦娥奔月”探月工程是為載人登月工程做準備，嫦娥三號探測器的成功發射也標志著中國航天技術系統工程扎實地進步。（本刊綜合）※