“嫦娥三號(hào)”落月步步驚心：激光扮演重要角色

14日，在嫦娥二號(hào)曾抵達(dá)的100公里×15公里橢圓軌道上飛行4天后，嫦娥三號(hào)開(kāi)始了最后15公里的落月之路。

　　從近月點(diǎn)約15公里到月面，是中國(guó)人通往月球的最后一步，也是中國(guó)實(shí)現(xiàn)首次地外天體軟?陸“關(guān)鍵中的關(guān)鍵”。這一段約12分鐘430公里的航程，還因其高自主性、高風(fēng)險(xiǎn)性和不可逆性而成為嫦娥三號(hào)200多個(gè)小時(shí)的飛行過(guò)程中難度系數(shù)最大的一段。

　　在這短短12分鐘里，嫦娥三號(hào)要將速度從約1.7公里秒減到幾乎為零，飛行姿態(tài)調(diào)整90度，還要在控制過(guò)程中適應(yīng)隨?發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的消耗，著陸器“體重”從3000多公斤銳減到1000多公斤的變化。

　　這段陌生航程的風(fēng)險(xiǎn)還來(lái)自于對(duì)月面的不確定性。由于難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，截至目前，國(guó)際上雖然已經(jīng)有多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了月球探測(cè)活動(dòng)，但完成無(wú)人月面軟?陸的次數(shù)僅有10多次。

落月過(guò)程

　　落月過(guò)程中，對(duì)速度和距離的把控十分關(guān)鍵。制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)對(duì)月進(jìn)行測(cè)速、測(cè)距和地形識(shí)別，確保探測(cè)器在著陸段自主制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制。激光測(cè)距敏感器和激光三維成像敏感器是嫦娥三號(hào)著陸器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)的兩臺(tái)重要敏感器，就像嫦娥三號(hào)的一雙眼睛。激光測(cè)距敏感器在著陸下降時(shí)提供探測(cè)器距月面的距離信息，確保著陸精度和安全；三維成像敏感器在著陸器懸停時(shí)對(duì)著陸區(qū)域進(jìn)行三維成像，選擇著陸點(diǎn)以保證著陸安全。

　　下降過(guò)程完全自控

　　在整個(gè)下降過(guò)程中，嫦娥三號(hào)探測(cè)器的飛行速度、高度、姿態(tài)的調(diào)整，制導(dǎo)、導(dǎo)航，包括避障和?陸點(diǎn)的選擇都由它完全自主控制，可以在地面進(jìn)行的人工干預(yù)非常少。

　　負(fù)責(zé)導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制的是它的“大腦”GNC系統(tǒng)。嫦娥三號(hào)的“大腦”比以往的航天器都要復(fù)雜，而且新技術(shù)、新產(chǎn)品的佔(zhàn)比很高，達(dá)到了90%。軟著陸同時(shí)也是一個(gè)不可逆的過(guò)程。所謂“開(kāi)弓沒(méi)有回頭箭”，自從“動(dòng)力下降”的指令注入，主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)始，嫦娥三號(hào)就基本上就失去了“重新再來(lái)”的機(jī)會(huì)。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，人也很難實(shí)施搶救。

　　變推力發(fā)動(dòng)機(jī)助減速

　　著陸器副總設(shè)計(jì)師張熇說(shuō)，嫦娥三號(hào)下降的時(shí)機(jī)要根據(jù)探測(cè)器當(dāng)時(shí)的重量、高度、速度等來(lái)確定，還要考慮月球引力場(chǎng)作用下探測(cè)器軌道的變化。

　　此外，動(dòng)力下降需滿足三個(gè)條件：首先，探測(cè)器運(yùn)行到預(yù)設(shè)著陸區(qū)的上方；其次，確保著陸段及著陸后一段時(shí)間內(nèi)探測(cè)器在測(cè)控范圍之內(nèi)，與地面通訊有保障；再次，著陸點(diǎn)太陽(yáng)高度角不宜太高，因?yàn)樘珶岬脑挄?huì)損傷元器件。

　　嫦娥三號(hào)在這15公里最重要的任務(wù)只有兩個(gè)，那就是減速和避障。

　　探測(cè)器的減速主要靠一臺(tái)150~7500牛頓的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)完成。這也是變推力推進(jìn)技術(shù)首次在我國(guó)宇航任務(wù)中應(yīng)用。

　　敏感器避障選著陸點(diǎn)

　　避障是另一個(gè)關(guān)鍵。早期的月球探測(cè)器并不具備避障功能，它們或者“盲降”，或者像阿波羅探測(cè)器那樣由宇航員人眼識(shí)別障礙，而不像嫦娥三號(hào)這樣在動(dòng)力下降過(guò)程中自主避障和選擇著陸點(diǎn)。

　　對(duì)于嫦娥三號(hào)來(lái)說(shuō)，敏感器就是它的“眼睛”。在距離月面幾百米時(shí)，嫦娥三號(hào)首先採(cǎi)用光學(xué)成像敏感器觀測(cè)?陸區(qū)，進(jìn)行粗避障，然后在100米高度懸停，利用激光三維成像敏感器進(jìn)行掃描成像，根據(jù)成像情況進(jìn)行精避障，選擇著陸點(diǎn)。

　　選擇好著陸點(diǎn)后，嫦娥三號(hào)緩速下降，并在距月面2米多時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，“自由落體”到月球。

　　嫦娥三號(hào)是在上世紀(jì)70年代阿波羅計(jì)劃結(jié)束后到訪月球的第一個(gè)軟著陸探測(cè)器。有著數(shù)千年“奔月”夢(mèng)想的中國(guó)人，在月球上留下了第一個(gè)痕跡。

嫦娥三號(hào)今晚21時(shí)40分落月 機(jī)器人開(kāi)展空間探測(cè)

據(jù)悉，嫦娥三號(hào)預(yù)計(jì)14日21時(shí)40分落月，具體時(shí)間或因軌道而有所偏差。此次落月地點(diǎn)選擇在月球正面的虹灣。為了在既定時(shí)間、既定地點(diǎn)準(zhǔn)確著陸，嫦娥三號(hào)已在環(huán)月軌道繞月飛行了8天左右的時(shí)間。

　　嫦娥三號(hào)安全降落以后，“玉兔號(hào)”月球車(chē)將駛離著陸器，在月面進(jìn)行3個(gè)月的科學(xué)勘測(cè)，著陸器則在著陸地點(diǎn)進(jìn)行原地探測(cè)。自此，這部“嫦娥奔月”的主角將正式開(kāi)啟月表探秘之路。

　　中國(guó)航天科技集團(tuán)宇航部部長(zhǎng)趙小津指出，嚴(yán)格意義上說(shuō)，“玉兔號(hào)”月球車(chē)并不是一輛車(chē)，而是一個(gè)長(zhǎng)著輪子能夠適應(yīng)惡劣空間環(huán)境，并開(kāi)展空間科學(xué)探測(cè)的航天器，是一個(gè)低功耗、高智能的機(jī)器人。

　　在執(zhí)行任務(wù)期間，“玉兔號(hào)”將在月球表面自主“行走”巡視探測(cè)，對(duì)月表進(jìn)行三維光學(xué)成像、紅外光譜分析。此外，還將開(kāi)展月壤厚度和結(jié)構(gòu)科學(xué)探測(cè)，對(duì)月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析等。

　　砸落多次練就一身“輕功”

　　說(shuō)起來(lái)“玉兔”月球車(chē)是“走”到月球表面，不過(guò)，日前，“玉兔”平時(shí)鍛煉、降落實(shí)驗(yàn)的照片已經(jīng)曝光。記者看到，登月器模型被懸吊在高處，模擬在月球表面降落的過(guò)程，而有趣的是，降落的地面上還有若干凸起的圓圈，用于模擬月球地表情況。網(wǎng)友們形容，原來(lái)“玉兔”是從高處往下砸了多次才練就了一身“輕功”。

　　據(jù)了解，一旦實(shí)施月面軟著陸，嫦娥三號(hào)將經(jīng)歷發(fā)射升空以來(lái)最“驚心動(dòng)魄”的動(dòng)力下降段。在動(dòng)力下降段中，嫦娥三號(hào)要完全依靠自主導(dǎo)航控制，完成降低高度、確定著陸點(diǎn)、實(shí)施軟著陸等一系列關(guān)鍵動(dòng)作。地面測(cè)控和人為干預(yù)基本“無(wú)能為力”。專家介紹，月面軟著陸這十幾分鐘甚至可稱為“黑色750秒”，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)控都跟不上了，而是完全依靠事先設(shè)計(jì)好的程序。

　　“為了能在高溫到來(lái)前完成月球車(chē)與著陸器的分離，嫦娥三號(hào)必須在月球的上午著陸。”中國(guó)航天科工集團(tuán)研究員楊宇光解釋稱，這8天中，嫦娥三號(hào)可不會(huì)“閑”著，得完成充電、變軌等動(dòng)作，所涉及軌道測(cè)量、參數(shù)復(fù)算、飛行指令發(fā)送等等，都是精度要求高并且耗時(shí)的工作。

　　由于月球上沒(méi)有大氣，“嫦娥三號(hào)”無(wú)法依靠降落傘著陸，只能靠著陸器上的反推力發(fā)動(dòng)機(jī)完成減速、懸停等一系列動(dòng)作。據(jù)了解，嫦娥三號(hào)主發(fā)動(dòng)機(jī)是目前中國(guó)航天器上最大推力的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠產(chǎn)生從1500牛到7500牛的可調(diào)節(jié)推力，進(jìn)而對(duì)嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

　　“嫦娥三號(hào)”將在近月點(diǎn)15公里處以拋物線下降，相對(duì)速度從每秒1.7公里逐漸降為零。據(jù)悉，整個(gè)過(guò)程主要靠探測(cè)器自主完成，人工干預(yù)的可能性幾乎為零。“在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)控都跟不上了，判斷然后上去執(zhí)行根本來(lái)不及，只能事先把程序都設(shè)定好”，探測(cè)器系統(tǒng)副總指揮譚梅表示。

　　在距月面100米處時(shí)，探測(cè)器要進(jìn)行短暫的懸停，掃描月面地形，避開(kāi)障礙物，尋找著陸點(diǎn)。“如果下面有個(gè)大坑，需要挪個(gè)地方，它就會(huì)自己平移，等照相機(jī)告訴它地面平了，才會(huì)降落”。中國(guó)繞月探測(cè)工程首任首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)介紹。

　　之后，嫦娥三號(hào)在反推火箭的作用下繼續(xù)慢慢下降，直到離月面4米高時(shí)再度懸停。此時(shí)，關(guān)掉反沖發(fā)動(dòng)機(jī)，探測(cè)器實(shí)施自由下落。由于探測(cè)器具備著陸緩沖機(jī)構(gòu)，幾個(gè)腿都有彈性，落地時(shí)不至于摔壞。

　　“從15公里開(kāi)始下降，要在短短的幾百秒之內(nèi)安全降落到月面預(yù)選著陸區(qū)，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的，也是一個(gè)最重要的考驗(yàn)。“中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁表示。　　據(jù)悉，迄今為止，全球已進(jìn)行129次月球探測(cè)活動(dòng)，成功或基本成功66次、失敗63次，成功率僅51%。目前，全球僅有美國(guó)、前蘇聯(lián)成功實(shí)施了13次無(wú)人月球表面軟著陸。　　“玉兔號(hào)”開(kāi)啟首次探秘之旅將永留月球　　據(jù)悉，“玉兔號(hào)”的巡游范圍可達(dá)5平方公里。它以太陽(yáng)能為能源，具備20度爬坡、20厘米越障能力，并可耐受300攝氏度的溫差。

　　月球車(chē)上除了各種照相機(jī)、紅外光譜儀和粒子激發(fā)X射線譜儀外，還在車(chē)底安裝了雷達(dá)，將探測(cè)月球地表以下100米左右深度的地下結(jié)構(gòu)。有專家指出，這是前人從未做過(guò)的，將對(duì)月球次表層探測(cè)作出貢獻(xiàn)。　　中國(guó)繞月探測(cè)工程首任首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)介紹，月球車(chē)能完全自主導(dǎo)航，在月亮上可以根據(jù)照相機(jī)拍到的四周情況，自己決定該走哪條路;可以自主避障，前面有大石頭擋住了，知道怎么避開(kāi)障礙;還可以自動(dòng)上坡下坡，能走它就走，走不過(guò)去就繞著走。　　當(dāng)然，月球車(chē)在月面“行走”也是存在風(fēng)險(xiǎn)的。據(jù)了解，月壤細(xì)粒會(huì)大量揚(yáng)起，形成月塵，一旦附著很難清除。月塵可能引起月球車(chē)很多故障，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死、密封機(jī)構(gòu)失效、光學(xué)系統(tǒng)靈敏度下降等。　　據(jù)了解，著陸器的設(shè)計(jì)壽命是一年，月球車(chē)則只有3個(gè)月。它們將在完成任務(wù)后永遠(yuǎn)留在月球。“它們工作過(guò)后，沒(méi)有打算拿回來(lái)，也不可能把它們拿回來(lái)，設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)這樣考慮。壽命時(shí)間過(guò)后，就看它的生存能力。”吳偉仁表示。