“嫦娥”奔月：中國航天走向深空

文/ 譚月

月球是距離地球最近的天體，是人類探索宇宙奧秘、向外層空間發(fā)展的理想基地和前哨站。上個世紀末期以來，各航天大國制定的航天計劃，均將月球探測作為重點，人類迎來了月球探測的第二個高潮期。

20世紀90年代初，我國開始月球探測工程的有關論證，經(jīng)過國內(nèi)各方面專家十幾年的工作，2003年，黨中央、國務院根據(jù)世界科技發(fā)展趨勢，著眼于我國科技事業(yè)的發(fā)展，審時度勢，作出了實施繞月探測工程的戰(zhàn)略性決策。2004年1月，以“嫦娥工程”命名的月球探測工程正式啟動。

與載人航天工程一樣，我國的“嫦娥工程”也提出了三步走的規(guī)劃。這三步就是“繞”“落”“回”。“繞”指的是研制和發(fā)射中國第一顆月球探測衛(wèi)星，對月球進行全球性、整體性與綜合性探測，以獲取月球的三維立體圖像等；“落”是指發(fā)射月球軟著陸器，試驗月球軟著陸和月球車巡視勘察，就地對月球進行探測，并開展月基天文觀測等；“回”指的是向月球發(fā)射軟著陸器和小型采樣返回艙，采集關鍵性月球樣品返回地球。

嫦娥一號：科學研究成果豐碩

2007年10月24日，嫦娥一號探月衛(wèi)星發(fā)射升空。一個多月后，“嫦娥一號”傳回的第一幅月面圖像公布，標志中國首次月球探測工程圓滿成功。

從成功發(fā)射至2009年3月1日成功受控撞月，經(jīng)過為期一年零四個月的在軌運行，嫦娥一號衛(wèi)星搭載的8臺有效載荷共獲得原始數(shù)據(jù)約1.37TB，截至2010年2月獲得經(jīng)過各種校正后生成的0、1、2、3級數(shù)據(jù)產(chǎn)品約2.76TB。初步建立起了我國月球探測和科學數(shù)據(jù)處理的標準體系。

為充分發(fā)揮和調(diào)動全國各方面的科研力量，進一步促進“嫦娥一號”科學數(shù)據(jù)的應用，我國成立了繞月探測工程科學應用專家委員會。委員會利用“嫦娥一號”取得的科學數(shù)據(jù)獲得了豐碩的研究成果，使得“嫦娥一號”科學成果得到了最廣泛的應用。

嫦娥二號：創(chuàng)造“中國新高度”

2010年10月1日，嫦娥二號探月衛(wèi)星成功發(fā)射。此后三年中，“嫦娥二號”不僅完成了預定的任務，還飛離月球，執(zhí)行了一系列拓展性試驗任務，成為中國飛得最遠的航天器。

▲ 國際先進的全月球影像圖嫦娥一號衛(wèi)星CCD立體相機共獲得508軌南北緯70°以內(nèi)和589軌極區(qū)的圖像數(shù)據(jù)，第一次實現(xiàn)了月球表面的100%覆蓋。制作的“全月球影像圖”在幾何配準精度、數(shù)據(jù)的完整性與一致性、圖像色調(diào)等方面均在國際上處于先進水平。

2012年12月13日，嫦娥二號衛(wèi)通過這些探測數(shù)據(jù)的處理、分析與研究，取得了重要成果，填補了我國在月球探測領域的空白。

“嫦娥一號”的科學研究在專利和知識產(chǎn)權(quán)、月球研究的標準和規(guī)范、科學應用研究論文等方面也發(fā)揮了重大的作用。通過地面應用系統(tǒng)的研制和嫦娥數(shù)據(jù)的處理，催生了一批標準和規(guī)范，星在距離地球700萬公里外的深空，精確實現(xiàn)與圖塔蒂斯小行星擦身而過的飛越探測。短短兩年間，從距地38萬公里外的月球，到150萬公里遠的日地拉格朗日L2點，再到700萬公里外的小行星……嫦娥二號衛(wèi)星，不斷開拓創(chuàng)新試驗任務，創(chuàng)造并刷新“中國高度”，實現(xiàn)了中國月球及深空探測領域一個又一個新的突破。

“嫦娥二號”本是“嫦娥一號”的備份星。“嫦娥一號”任務取得圓滿成功后，國家有關部門將“嫦娥二號”確定為工程二期的先導星，主要驗證“軟著陸”任務部分關鍵技術。從“繞”起步、為“落”而生的“嫦娥二號”，由“替補”變身“先鋒”。

從“替補”到“先鋒”，工程人員對嫦娥二號衛(wèi)星做了大量技術改進，并新研制了部分載荷和試驗分系統(tǒng)，實現(xiàn)了新的技術跨越：開辟了奔月時間短、衛(wèi)星燃料消耗少的直接奔月軌道；驗證了X頻段深空測控技術，實現(xiàn)了航天測控由S向X頻段的跨越；對月面虹灣地區(qū)進行高分辨率成像，為嫦娥三號“軟著陸”任務積累了經(jīng)驗。

2010年12月，“嫦娥二號”任務圓滿成功。“嫦娥”的“歸宿”成為全社會關注的焦點。經(jīng)過充分討論，探月工程重大專項領導小組綜合權(quán)衡衛(wèi)星狀態(tài)、燃料剩余、測控通信能力、技術試驗與科學探測價值等因素，最終選擇了最具風險也最具價值的方案——開展拓展試驗。

▲ 嫦娥二號全月球7米分辨率影像圖

▲ 嫦娥二號全月球7米分辨率影像圖。圖幅高約1米，寬約162米， 比例尺：1：82677

▲ 嫦娥二號衛(wèi)星

拓展試驗包括三項內(nèi)容：一是補全月球南北兩極漏拍點；二是在月球背面測控無法支持情況下，用主發(fā)動機點火降軌至15公里軌道高度，再次對“嫦娥三號”預選著陸區(qū)進行高清晰成像；第三項也是最重要的一項，是從月球軌道出發(fā)，奔向日地L2點，進行深空探測。

在前兩項試驗順利完成后，2011年6月9日，奔向L2點的第三項拓展試驗實施。“嫦娥二號”受控飛離月球，奔向150萬公里遠的日地拉格朗日L2點，開啟了中國深空探測的新征程。2011年8月25日，“嫦娥二號”精確飛抵L2點并進入環(huán)繞軌道，標志著三項拓展試驗圓滿成功。我國成為世界上繼歐空局和美國之后第三個造訪L2點的國家和組織。此后，“嫦娥二號”環(huán)繞L2點進行了為期10個月的科學探測，獲得了地球遠磁尾離子能譜、太陽耀斑爆發(fā)和宇宙伽馬爆的大量科學數(shù)據(jù)。

2012年3月，“嫦娥二號”環(huán)繞L2點飛行200余天，全面完成了拓展任務工程目標和科學探測任務。如何繼續(xù)發(fā)揮“嫦娥”余熱，再開展拓展試驗，早已在航天人的醞釀中：從L2點飛L1點；飛回月球；從L2點飛走……有關專家提出了若干方案。總師系統(tǒng)對若干方案進行深入論證后，最終建議飛往更遠的深空探測小行星，以充分發(fā)揮嫦娥二號衛(wèi)星的科學和技術試驗潛力。

2012年6月1日，已在日地拉格朗日L2點開展了10個月科學探測的嫦娥二號衛(wèi)星，成功變軌，脫離L2點環(huán)繞軌道，進入飛往小行星的軌道。12月13日，飛離日地拉格朗日L2點195天的嫦娥二號衛(wèi)星，成功受控飛抵距地球約700萬公里遠的深空。16時30分，“嫦娥二號”與圖塔蒂斯小行星由遠及近擦身而過，交會時的相對距離約3.2公里左右，相對速度10.73公里/秒。交會時“嫦娥二號”星載監(jiān)視相機對小行星進行了光學成像，真正實現(xiàn)了“軌道測得準、衛(wèi)星控得住、圖像拍得好”的工程目標。至此，嫦娥二號衛(wèi)星再拓展試驗圓滿成功，“嫦娥二號”工程完美收官。

嫦娥三號：成功實施軟著陸

2013年12月2日，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，嫦娥三號探測器由長三乙火箭準確送入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月6日，嫦娥三號探測器實施近月制動被月球捕獲，準確進入環(huán)月工作軌道。12月10日，嫦娥三號探測器降軌進入15×100公里橢圓軌道。12月14日，嫦娥三號探測器實現(xiàn)月面軟著陸。12月15日，“嫦娥三號”進行了著陸器和月面巡視器兩器分離和互拍成像，成功傳回五星紅旗的圖片，標志著“嫦娥三號”任務的圓滿成功。

“嫦娥三號”任務是探月工程二期的關鍵任務，其工程目標是：突破月球軟著陸、月面巡視勘察、月面生存、深空測控通信與遙操作、運載火箭直接進入地月轉(zhuǎn)移軌道等關鍵技術，建立我國的深空測控網(wǎng)，實現(xiàn)中國第一次對地外天體的實地探測。科學目標是：開展月球形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查，月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查，月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究，日地月空間環(huán)境探測和月基光學天文觀測等四類科學探測。

“嫦娥三號”由一個著陸探測器和一個月面巡視探測器（玉兔號月球車）組成，共攜帶了導航相機、全景相機、避障相機、測月雷達、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外成像光譜儀、極紫外相機以及月基光學望遠鏡等8個有效載荷。

▲ 嫦娥三號著陸器及巡視器外形圖

▲ 嫦娥三號測試

▲ 月球車原理樣機在外場接受實驗

“嫦娥三號”任務的的最大看點在于“月面軟著陸”。所謂“軟著陸”，是相對“硬著陸”而言的。“硬著陸”是指探測器在飛向月球的過程中以較大速度直接沖撞著陸。由于著陸速度過大，會使探測器完全或大部損壞。而“軟著陸”，則是指探測器經(jīng)減速裝置減速后降到足夠低的速度，在預計的地點安全著陸。從技術發(fā)展角度看，月面軟著陸是人類探月歷程上的一個大臺階，其中的關鍵技術是“太空剎車減速”。如果剎車減速過猛，探測器會一頭撞向月球，變成硬著陸；如果剎車減速不足，探測器會與月球擦肩而過，進入環(huán)繞太陽飛行的軌道。軟著陸技術，是日后探測器著陸月球并返回地球、載人飛船和航天員登陸月球并返回地球必不可少的技術基礎。

嫦娥一號、二號、三號任務的圓滿成功，標志著中國月球探測工程“繞”“落”“回”三步走的前兩步計劃已順利完成。