目標月球，“玉兔”的大冒險

千百年來，嫦娥奔月的傳說婦孺皆知；而今，嫦娥“三姑娘”真的駕到月宮，還帶著一只能走會跑的“大兔子”。

2013年12月2日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號乙”運載火箭，成功將“嫦娥三號”探月器發(fā)射升空?！版隙鹑枴钡慕Y(jié)構(gòu)包括兩個系統(tǒng)，一個是著陸器，另一個是巡視器即“玉兔號”月球車。2013年12月14日，“嫦娥三號”已成功軟著陸月球虹灣地區(qū)，并于15日釋放了“玉兔號”月球車，然后月球車在月面進行巡視考察，著陸器就地開展探測工作。

我們?nèi)巳硕家娺^的大月亮，到底有什么值得科學(xué)家折騰的？接下來，我們的“玉兔”要進行怎樣的月球大冒險？不妨讓我們追隨“玉兔”的腳步，跟它一起到月球上瞧瞧吧。

“玉兔”奔月一路上挺辛苦

“玉兔”的這一路也是蠻辛苦的。

當“長征三號乙”運載火箭升空飛行19分鐘后，器箭分離，“嫦娥三號”帶著“玉兔”，以約10.9千米/秒的速度，順利進入近地點高度210千米、遠地點高度約36.8萬千米的地-月轉(zhuǎn)移軌道。接下來，經(jīng)過2次中途軌道修正和4天的飛奔后，“嫦娥三號”于2013年12月6日飛行至月球附近，接下來它將要面對的，是一次關(guān)鍵性的軌道控制——近月制動。

為什么這么說呢？因為當時“嫦娥三號”的速度高于月球逃逸速度2.376千米/秒，如果不能有效減速制動，它將飛離月球，但是如果減速過大，它又可能會撞向月球。與“嫦娥一號”、“嫦娥二號”的分步實施近月制動不同，此次近月制動使用新研制的7 500牛變推力發(fā)動機，采用一次制動達到目標軌道的控制策略，任務(wù)風險和難度更大，對探月器的控制系統(tǒng)和推進系統(tǒng)都提出了更高要求。

當日17時53分，“嫦娥三號”實施近月制動且取得圓滿成功，進入距月面平均高度100千米的環(huán)月圓形軌道運行。

數(shù)日后，2013年12月10日21時20分，“嫦娥三號”成功實施變軌控制，從100千米高的環(huán)月圓形軌道，降至近月點約15千米、遠月點約100千米的橢圓軌道。這是“嫦娥三號”預(yù)定的月面著陸準備軌道。這次軌道機動是在月球背面開始實施的，其近月點是位于月球朝向地球一面的虹灣區(qū)域上空的。至此，“嫦娥三號”已順利通過軌道修正、減速制動和繞月變軌3次大考，即將進行此次任務(wù)中最關(guān)鍵的落月環(huán)節(jié)。

經(jīng)過4天在軌運行后，“嫦娥三號”從距離月面15千米的近月點，開始下降實施軟著陸過程。這是一段嶄新又充滿危險的旅程，在這扣人心弦、相當刺激的十幾分鐘里，“玉兔”那穩(wěn)重的小伙伴——著陸器是這段高風險征程的主角。落月開始前，著陸器和“玉兔”將收到地面給的指令，并牢記于心，一旦開始降落，它們將靠自己去完成登月。它們攜帶了一些叫作敏感器的設(shè)備，相當于眼睛和觸角，實時測出下降的速度、跟月球的距離，以及月面的平坦程度，它們的“大腦”要快速運轉(zhuǎn)，迅速判斷并作出反應(yīng)，決定是需要踩剎車，還是“給點油”。在最后幾米，它們還要在敏感器幫助下，徹底關(guān)掉發(fā)動機，在月球上“自由落體”。

2013年12月14日21時11分，著陸器和“玉兔”最終安全降落到月球的虹灣區(qū)域，這使我國成為世界上繼蘇美之后第三個實現(xiàn)月球軟著陸的國家。著陸器的位置非常好，著陸后幾乎是完全垂直的，傾角只有一兩度。

多天環(huán)月飛行是為了提高落點精度

很多關(guān)注“嫦娥三號”登月的人都有個疑問，為什么“嫦娥三號”要圍著月球飛行那么多天才著陸呢？

“嫦娥三號”之所以要進行8天的環(huán)月飛行，再擇機實施動力下降和月面軟著陸，主要是落月的時間及地點要求決定的。首先，由于在環(huán)月的過程中月球也在自轉(zhuǎn)，為了使“嫦娥三號”準確降落在虹灣區(qū)域，探月器必須運行到和月球合適的相對位置才能開始下降。其次，落月時間必須要在月球白天的上午，這樣才能在中午月球高溫到來前完成“玉兔號”月球車與著陸器的分離。不僅如此，在環(huán)月過程中，探月器會周期性地運行到陽照區(qū)和陰影區(qū)，“嫦娥三號”必須在陽照區(qū)利用太陽能帆板即太陽翼進行充電，地面飛控中心的工作人員也需要檢查探月器的安全狀況，確保其工作狀態(tài)穩(wěn)定后，才能發(fā)出落月指令。

如果讓探月器在接近月球時，不進行環(huán)月飛行就實現(xiàn)在月表軟著陸，雖然這種方式的軌道較為簡單，飛行時間短，但是對軌道的測控精度要求較高，減速過載較大，對發(fā)射窗口要求極其嚴格，落點精度不高，故而未被采用。

“玉兔”的第一個腳印為何留在虹灣地區(qū)

“玉兔”第一次踏足“月宮”，它的第一個腳印留在了月球上最美麗的地標之一——虹灣地區(qū)。這又是為什么呢？

在我們眼中，月球就是一個整體，但在科學(xué)家眼中，月球被分為不同的區(qū)域，每個區(qū)域都有各自的名字。月球正面的盆地平原，大多被命名為不同稱謂的海洋或灣沼。在地球上的人們用肉眼所見月面上的陰暗部分，實際上是月面上的平原，但早期天文學(xué)家以為那些發(fā)暗的地區(qū)都有海水覆蓋，因此把它們稱為“?！?，這些錯誤名稱一直保留至今。

“嫦娥三號”著陸的虹灣地區(qū)在月球雨海的西北角，位于北緯43度、西經(jīng)31度左右，南北寬約100千米，東西長約236千米，是一個半圓形的開闊灣地。虹灣兩側(cè)各有一個角，這是其最顯著的地理特征。地形較為簡單的虹灣，是一片沒有突出的高山與溝壑的平原，地勢平坦，起伏較小，障礙物少，探月器在此降落比較容易著陸。該地區(qū)處在月球正面中緯度位置，太陽光照充足，溫度又不是很高，既能滿足著陸器和月球車對太陽能電池發(fā)電的要求，又不會把它們烤壞了，同時還容易建立和實現(xiàn)測控通信鏈路，保證地-月之間的及時聯(lián)系，以便地面飛控中心隨時掌控著陸器和月球車的所處狀態(tài)和工作情況。顯而易見，從工程技術(shù)層面講，這就是確定“嫦娥三號”軟著陸于虹灣地區(qū)的緣由。

從科研價值角度考慮，以前蘇聯(lián)的月球車和美國的月球車都未去過虹灣地區(qū)，我國“玉兔號”月球車巡視虹灣，研究的對象區(qū)域不同，獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)可以同此前的資料互相補充，以取得更多的成果。

再說啦，“嫦娥二號”衛(wèi)星曾于2010年10月下旬用CCD立體相機對虹灣地區(qū)完成測繪成像任務(wù)，已經(jīng)為“嫦娥三號”軟著陸虹灣地區(qū)提供了參照和依據(jù)，為什么不好好利用呢？

“嫦娥三號”成功著陸月球后，隨即按計劃開展著陸器與巡視器分離的各項準備工作。2013年12月14日23時45分，地面科技人員對著陸器和巡視器分離的實施條件，包括著陸點的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀況、太陽入射角度等，進行了最終的檢查確認，隨后向“嫦娥三號”發(fā)送指令，兩器分離開始。

當時，北京航天飛控中心大廳的屏幕上顯示，著陸器靜靜地立在月面之上，太陽翼呈展開狀態(tài)，非常漂亮，“玉兔號”月球車位于著陸器頂部，同時展開太陽翼，伸出桅桿。兩者分離過程比預(yù)計的還要平穩(wěn)。2013年12月15日3時10分，巡視器開始向轉(zhuǎn)移機構(gòu)緩慢地移動。到4時06分，轉(zhuǎn)移機構(gòu)正常解鎖，并在著陸器與月面之間搭起了一架斜梯。隨后，“玉兔號”沿著斜梯緩緩而下，并在4點35分踏上了月球虹灣區(qū)域，6輪著地，在月面上印出了一道深深的痕跡。著陸器監(jiān)視相機完整地記錄下了這一過程，并及時地將照片傳回了地面。當天晚上，月球車和著陸器進行了互相拍照，表明兩者狀態(tài)良好。

小小“玉兔”腹中“秘器”多

經(jīng)過中國空間技術(shù)研究院專家10年艱苦攻關(guān)才研制成功的“玉兔號”月球車，呈長方形箱狀，重140千克，太陽翼收攏狀態(tài)下長1.5米，寬1米，高1.1米，為3軸6輪結(jié)構(gòu)，有6個輪子，周身金光閃閃。箱體兩側(cè)各有1個太陽翼，展開后用于將太陽能轉(zhuǎn)為電能。為了方便在月球上開展科學(xué)探測任務(wù)，“玉兔號”上配置著多種寶貴儀器和相關(guān)設(shè)備，比如在箱體上面伸出一個大腦袋，裝有導(dǎo)航相機、全景相機和定向天線，箱體尾部裝有眾多天線，箱體腹內(nèi)裝有測月雷達、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外成像光譜儀、避障相機、機械臂等。專家這樣形容它：肩插“太陽翼”，腳踩“風火輪”，身披“黃金甲”，腹中“秘器”多。

從這么多的先進裝備上就可看出，“玉兔”這次要完成的任務(wù)可不是那么簡單的。