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按照計劃，今晚9時40分左右，嫦娥三號探測器將從距月面15千米的近月點以拋物線的路線開始動力下降，相對速度從每秒1.7公里逐漸降為零，且歷經兩次懸停。整個著陸過程約為720秒，即12分鐘。這12分鐘被稱為整個嫦娥三號任務中最驚心動魄的環節。因為在12分鐘內人工測控無法跟上，探測器只能按照預定程序，完全依靠自主導航控制，完成減速、降低高度、確定著陸點、軟著陸等一系列關鍵動作。在落月的過程中通過激光測距敏感器和微波測距測速敏感器，嫦娥三號可對相對位置和速度進行高精度測量；通過激光三維成像敏感器，嫦娥三號可探測待著陸區較小的障礙。記者從探測器的誕生地——中國航天科技集團了解到，為了這驚心動魄的720秒，中國的科技工作者打造了四大利器。 利器一：GNC系統 為落月找路 720秒內無法人工干預，探測器落月靠的是基于對月測速、測距和地形識別的GNC系統。嫦娥三號GNC分系統主任設計師梁俊告訴記者，GNC是制導、導航、控制三個詞的縮寫。導航可以讓探測器知道自己所在的位置，制導可以規劃路徑，控制就是根據探測器的位置，按照目標完成著陸任務。GNC具有感知功能，可以“看”到月面的情況，測量到落月過程中探測器的姿態、速度、與月面的距離等，同時把各種信息匯集到中心計算機進行處理，再根據事先設定好的落月要求，對探測器進行控制。通過“看見”、測量、計算處理、控制執行，來指揮探測器落月。
嫦娥三號落月 解放軍電子工程學院教授胡以華研制的激光高度計，為嫦娥裝上了“千里眼”，將助力嫦娥三號實時精確測距，準確抵達月球。 出生于懷寧的胡以華曾參與研制成功月球探測衛星激光高度計，實現了我國空間遙感激光探測技術與系統研制重大突破。從嫦娥一號開始，激光高度計就成為嫦娥的“千里眼”，還曾配合4D相機為月球繪制全世界第一張高分辨率主體成像圖。胡以華介紹，軟著陸必須實時精確測距，激光高度計能幫助嫦娥順利登月。 美國“阿波羅”載人登月計劃中，“阿波羅”是依靠宇航員的眼睛識別月面障礙的。而嫦娥三號是無人軟著陸，因此探測器需要具有自主障礙識別能力。為此，GNC團隊研制了激光三維成像敏感器，用來代替人眼，在距離月面較近時獲得待著陸區域精確的三維高程圖信息，可精確分辨月面上比較小的障礙。同時，在距離月面較遠時還增加了一個光學成像敏感器，用于在較大范圍內識別較大尺寸的障礙。這樣一套遠近結合、粗精并用的接力避障策略，大大提高了著陸的安全性。 GNC系統包括數十臺單機、幾十套軟件，研制團隊成員大都是博士。為了落月到12分鐘，GNC系統進行了上萬次數學仿真、成百上千次桌面聯試，以及模擬月球重力環境和月表地形地貌，發動機點火，與真實的GNC系統相配合進行的多次大型地面試驗，這樣的試驗力度“史上空前”。 利器二：發動機 6萬秒測試只為1200秒飛行 嫦娥三號探測器上一共有29臺發動機，其中，“7500牛變推力發動機”直接決定著嫦娥三號奔月與落月的成敗，且沒有備份。月球表面沒有空氣，無法使用降落傘等空氣摩擦產生阻力的方式對探測器進行減速。因此減速的實現只能依靠變推力發動機。 7500牛變推力發動機是為嫦娥三號任務專門研制的。它的難度有多大？據嫦娥三號推進系統主任設計師金廣明介紹，一般衛星的發動機最大推力只有490牛(發動機推力單位)，神舟系列載人飛船發動機的推力也只有2500牛，由此看出7500牛發動機絕對是個“大家伙”。它還能根據預定設計，進行變推力調節，這要求發動機必須靈活地調節動力，讓探測器平穩地落到月面。在擁有巨大推力的同時，還要受重量、結構尺寸等條件限制，工作時產生的大量散熱還不能影響探測器上儀器設備的正常工作，其設計難度可想而知。負責發動機研制的航天集團六院院長譚永華告訴記者，該發動機的相關試驗進行了100多次，僅點火試驗就累計達到6萬多秒，就是為了確保它在軌工作的1200秒不出任何問題。 利器三：四條長腿 確保落月時“站穩” 探測器降落月面時，來自月面的巨大沖擊力將是其安全著陸的最大威脅。美國和前蘇聯探測器的軟著陸方式主要有三種：氣囊彈跳式、著陸腿式和空中吊車式。而嫦娥三號靠的是四條長腿和四只大腳。 嫦娥三號探測器安裝了四條著陸腿。科研人員在“腿骨”內部增加了塑性變形吸能材料，在著陸沖擊時能起到很好的吸能和緩沖作用。腿部末端還安裝了臉盆大小的圓形大腳，可以保證著陸器在復雜的月球表面站穩腳跟。其研制人員告訴記者，大量試驗表明，即使探測器落在石塊上，或者一邊腿在石頭上，一邊在坑里，只要傾斜度不超過十幾度，探測器就不會翻倒。在地面試驗場中，嫦娥三號著陸器從初樣到正樣進行了近百次模擬試驗。從水平面到十幾度的坡面，著陸器的修長美腿均表現優異。 利器四：小小密封圈 研制多年 乘坐阿波羅號登月的宇航員曾在回憶錄里這樣描述初登月球時的震撼情景：月亮上沒有風，月塵揚起后，會長時間懸浮在半空中落不下來。 由于月塵帶有靜電，容易吸附在巡視器表面或侵蝕巡視器的活動部件，因此防塵密封圈就變得格外重要。就是一個小小的密封圈，研制人員足足花費兩年的時間才找到合適的配方。他們對設計出來的每一種配方都進行了高溫壓縮永久變形測試、壓縮耐寒系數測試、耐熱空氣老化測試等多項測試，通過數十次試驗，終于確定了配方。由于月塵的直徑不足1毫米，甚至只有幾微米，因此必須把密封圈的尺寸做到恰到好處，松了月塵就會進入，緊了就會被磨損，這對工藝與制作能力提出了苛刻的要求。 落月“軟著陸”與“硬著陸”區別 今晚，嫦娥三號如果按計劃成功在月面實現軟著陸，將是繼1976年之后，首次有人造航天器在月球表面實現軟著陸。 軟著陸是相對“硬著陸”而言的。所謂“硬著陸”，是指航天器在降落時不減速，直接沖撞月球表面，會對航天器造成毀滅性的沖擊。北京大學地球與空間科學學院焦維新教授告訴記者，“硬著陸”是人類了解月球的初級階段，也分為“不受控撞月”和“受控撞月”兩種類型。無論哪種，都只能在撞月之前實現近距離觀測月球的目的。如果要更進一步探測月球，航天器不能總一頭撞向月球，需要航天器能夠完好地抵達月面。軟著陸，就是在月球表面沒有空氣、無法使用降落傘的前提下，通過減速裝置，使人造航天器減速安全地抵達月面，并平穩著陸。 人造航天器的首次成功硬著陸和軟著陸都是由前蘇聯實現的。1959年9月12日，前蘇聯的月球2號探測器發射升空，在月球表面硬著陸，成為到達月球的第一位使者，但它的無線電通信裝置在撞擊月球后就停止了工作。1966年2月3日，前蘇聯發射的月球9號在月面安全落月，開創了人類探測器零距離考察月球的新階段。 在嫦娥三號之前，只有美國、前蘇聯成功實施了13次無人月球軟著陸。這13次成功也伴隨著多次失敗。據統計，在上世紀六七十年代的美蘇太空競賽中，成功發射的具有軟著陸任務的30個航天器中，最后成功著陸的只有20個。1976年，前蘇聯的月球24號從月球成功返回后，已經有37年沒有任何人造航天器踏足月球。 2007年，我國發射的嫦娥一號成功進行了月球“硬著陸”。 變推力發動機—— 完成無大氣環境軟著陸 運載火箭發動機承擔的任務，是將探測器推舉到地月轉移軌道。其后，嫦娥三號探測器推進分系統開始接力工作。嫦娥三號探測器要把“繞月”變成“落月”，在月球這一無大氣天體表面進行軟著陸，傳統發動機無法實現推力的變化。只有研制變推力發動機，才能滿足完成月球著陸探測器中途修正、近月制動、動力下降、懸停段等任務。 推進分系統，是嫦娥三號月球探測器的關鍵分系統之一，它由1臺7500牛變推力發動機、若干臺姿控發動機組成，承擔了地月轉移、近月制動、環月飛行、落月過程等全部軌控、姿控動力功能。 步進電機+絲桿—— 實現著陸器“懸浮” 在距離月面100米的地方，系統開始計算嫦娥三號著陸器下降的速度。根據不同的速度，發動機可以在700—7500牛的區間范圍內選擇匹配的反推動力，而選擇權掌控在一個長8厘米、直徑8.1厘米的圓柱體形電機上。 該電機的主要設計師、中國電科工程師李聽斌介紹說，這個給發動機“發號施令”的電機原理跟踩油門一樣。 “步進電機+絲桿的組合運用，還是首次進入太空。”李聽斌說，通過絲桿毫米級的位移，可以最大限度地保證“微調”以達到力的平衡。 關機敏感器—— 精準發出關機指令 當嫦娥三號從環月飛行轉到月面著陸工作階段時，需要通過開啟發動機來控制“姿態”向月球緩慢下降。 隨著落月過程的開始，置于嫦娥三號底部的伽瑪關機敏感器實時精確測量嫦娥三號與月面的距離。當探測到距月面幾米高度時，敏感器發出關機指令關閉發動機。 這個關機指令的發出，是實現嫦娥落月的關鍵動作，決定著落月任務的成敗。 之后，隨著發動機反推力的撤離，著陸器將在月球引力作用下以自由落體的方式著陸，踏上月球。 《 人民日報 》（ 2013年12月15日 04 版） |
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“嫦娥三號”落月步步驚心：激光扮演重要角色 14日，在嫦娥二號曾抵達的100公里×15公里橢圓軌道上飛行4天后，嫦娥三號開始了最后15公里的落月之路。 從近月點約15公里到月面，是中國人通往月球的最后一步，也是中國實現首次地外天體軟?陸“關鍵中的關鍵”。這一段約12分鐘430公里的航程，還因其高自主性、高風險性和不可逆性而成為嫦娥三號200多個小時的飛行過程中難度系數最大的一段。 在這短短12分鐘里，嫦娥三號要將速度從約1.7公里秒減到幾乎為零，飛行姿態調整90度，還要在控制過程中適應隨?發動機燃料的消耗，著陸器“體重”從3000多公斤銳減到1000多公斤的變化。 這段陌生航程的風險還來自于對月面的不確定性。由于難度大、風險高，截至目前，國際上雖然已經有多個國家開展了月球探測活動，但完成無人月面軟?陸的次數僅有10多次。 
落月過程 落月過程中，對速度和距離的把控十分關鍵。制導導航與控制系統對月進行測速、測距和地形識別，確保探測器在著陸段自主制導、導航與控制。激光測距敏感器和激光三維成像敏感器是嫦娥三號著陸器制導導航與控制分系統的兩臺重要敏感器，就像嫦娥三號的一雙眼睛。激光測距敏感器在著陸下降時提供探測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對著陸區域進行三維成像，選擇著陸點以保證著陸安全。 下降過程完全自控 在整個下降過程中，嫦娥三號探測器的飛行速度、高度、姿態的調整，制導、導航，包括避障和?陸點的選擇都由它完全自主控制，可以在地面進行的人工干預非常少。 負責導航、制導和控制的是它的“大腦”GNC系統。嫦娥三號的“大腦”比以往的航天器都要復雜，而且新技術、新產品的佔比很高，達到了90%。軟著陸同時也是一個不可逆的過程。所謂“開弓沒有回頭箭”，自從“動力下降”的指令注入，主發動機點火開始，嫦娥三號就基本上就失去了“重新再來”的機會。一旦出現問題，人也很難實施搶救。 變推力發動機助減速 著陸器副總設計師張熇說，嫦娥三號下降的時機要根據探測器當時的重量、高度、速度等來確定，還要考慮月球引力場作用下探測器軌道的變化。 此外，動力下降需滿足三個條件：首先，探測器運行到預設著陸區的上方；其次，確保著陸段及著陸后一段時間內探測器在測控范圍之內，與地面通訊有保障；再次，著陸點太陽高度角不宜太高，因為太熱的話會損傷元器件。 嫦娥三號在這15公里最重要的任務只有兩個，那就是減速和避障。 探測器的減速主要靠一臺150~7500牛頓的變推力發動機來完成。這也是變推力推進技術首次在我國宇航任務中應用。 敏感器避障選著陸點 避障是另一個關鍵。早期的月球探測器并不具備避障功能，它們或者“盲降”，或者像阿波羅探測器那樣由宇航員人眼識別障礙，而不像嫦娥三號這樣在動力下降過程中自主避障和選擇著陸點。 對于嫦娥三號來說，敏感器就是它的“眼睛”。在距離月面幾百米時，嫦娥三號首先採用光學成像敏感器觀測?陸區，進行粗避障，然后在100米高度懸停，利用激光三維成像敏感器進行掃描成像，根據成像情況進行精避障，選擇著陸點。 選擇好著陸點后，嫦娥三號緩速下降，并在距月面2米多時關閉發動機，“自由落體”到月球。 嫦娥三號是在上世紀70年代阿波羅計劃結束后到訪月球的第一個軟著陸探測器。有著數千年“奔月”夢想的中國人，在月球上留下了第一個痕跡。 |
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嫦娥三號今晚21時40分落月 機器人開展空間探測 據悉，嫦娥三號預計14日21時40分落月，具體時間或因軌道而有所偏差。此次落月地點選擇在月球正面的虹灣。為了在既定時間、既定地點準確著陸，嫦娥三號已在環月軌道繞月飛行了8天左右的時間。 嫦娥三號安全降落以后，“玉兔號”月球車將駛離著陸器，在月面進行3個月的科學勘測，著陸器則在著陸地點進行原地探測。自此，這部“嫦娥奔月”的主角將正式開啟月表探秘之路。 中國航天科技集團宇航部部長趙小津指出，嚴格意義上說，“玉兔號”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。 在執行任務期間，“玉兔號”將在月球表面自主“行走”巡視探測，對月表進行三維光學成像、紅外光譜分析。此外，還將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。
砸落多次練就一身“輕功” 說起來“玉兔”月球車是“走”到月球表面，不過，日前，“玉兔”平時鍛煉、降落實驗的照片已經曝光。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。網友們形容，原來“玉兔”是從高處往下砸了多次才練就了一身“輕功”。 據了解，一旦實施月面軟著陸，嫦娥三號將經歷發射升空以來最“驚心動魄”的動力下降段。在動力下降段中，嫦娥三號要完全依靠自主導航控制，完成降低高度、確定著陸點、實施軟著陸等一系列關鍵動作。地面測控和人為干預基本“無能為力”。專家介紹，月面軟著陸這十幾分鐘甚至可稱為“黑色750秒”，在這個時間段內測控都跟不上了，而是完全依靠事先設計好的程序。 “為了能在高溫到來前完成月球車與著陸器的分離，嫦娥三號必須在月球的上午著陸。”中國航天科工集團研究員楊宇光解釋稱，這8天中，嫦娥三號可不會“閑”著，得完成充電、變軌等動作，所涉及軌道測量、參數復算、飛行指令發送等等，都是精度要求高并且耗時的工作。 由于月球上沒有大氣，“嫦娥三號”無法依靠降落傘著陸，只能靠著陸器上的反推力發動機完成減速、懸停等一系列動作。據了解，嫦娥三號主發動機是目前中國航天器上最大推力的發動機，能夠產生從1500牛到7500牛的可調節推力，進而對嫦娥三號實現精準控制。 “嫦娥三號”將在近月點15公里處以拋物線下降，相對速度從每秒1.7公里逐漸降為零。據悉，整個過程主要靠探測器自主完成，人工干預的可能性幾乎為零。“在這個時間段內測控都跟不上了，判斷然后上去執行根本來不及，只能事先把程序都設定好”，探測器系統副總指揮譚梅表示。 在距月面100米處時，探測器要進行短暫的懸停，掃描月面地形，避開障礙物，尋找著陸點。“如果下面有個大坑，需要挪個地方，它就會自己平移，等照相機告訴它地面平了，才會降落”。中國繞月探測工程首任首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠介紹。 之后，嫦娥三號在反推火箭的作用下繼續慢慢下降，直到離月面4米高時再度懸停。此時，關掉反沖發動機，探測器實施自由下落。由于探測器具備著陸緩沖機構，幾個腿都有彈性，落地時不至于摔壞。 “從15公里開始下降，要在短短的幾百秒之內安全降落到月面預選著陸區，這對我們來說是一個全新的，也是一個最重要的考驗。“中國探月工程總設計師吳偉仁表示。 據悉，迄今為止，全球已進行129次月球探測活動，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、前蘇聯成功實施了13次無人月球表面軟著陸。 “玉兔號”開啟首次探秘之旅將永留月球 據悉，“玉兔號”的巡游范圍可達5平方公里。它以太陽能為能源，具備20度爬坡、20厘米越障能力，并可耐受300攝氏度的溫差。
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