解析嫦娥三号任务全过程

作者：中科院来源：新浪网 2013-12-02

发射

相比嫦娥一号、二号火箭推力要求更大

对于火箭发射环节探月工程高级顾问栾恩杰对新浪网表示，“国家如果下决心要推动探月发展，首要条件是一定要把运载搞上去，一定要把可载人的运载搞上去，这是基础条件”。

据知，由于嫦娥三号探测器将直接被发送至近地点约200公里，远地点约38万公里的地月转移轨道，和嫦娥一号、二号卫星发射相比，对火箭的推力要求更大。因此，此次发射采用捆绑有四个助推器的长征三号乙运载火箭实施发射。

西昌卫星发射中心在成功发射嫦娥一号、二号卫星后，针对嫦娥三号任务特点，从提高参试设备安全性、可靠性入手，有针对性地开展了各项技术准备和岗位训练，测发、测控、通信、气象、勤务保障等系统对相关设备设施进行了大规模升级改造，包括更新测量设备、更新遥测系统、改造光学仪器、建设地面气象自动观测系统等，进一步提高了发射场的可靠性和整体发射能力。

轨道的选择

中国空间技术研究院：地月转移轨道选择落点精度高但飞行时间长

首先是地球至月球转移轨道选择。

探测器在月球软着陆的飞行方式基本上可以分为两类：第一、从地球直接进入近月点和月球相交的地－月转移轨道，探测器在接近月球时制动，最后实现在月表软着陆。这种方式轨道较简单，飞行时间短，但是对轨道的测控精度要求较高，减速过载较大，对发射窗口要求极其严格，落点精度不高。第二、从地球进入近月点和月球不相交的地－月转移轨道，在月球附近制动进入环月轨道，再从环月轨道进行降轨着陆。这种方式可有比较充分的环月运行时间，用于选择、控制着陆时机和对设备进行测试，落点精度高。但是飞行时间比较长。

我国专家在比较两种方法的优点和缺点，建议选定第二种着陆方法。这样既可以继承“嫦娥一号”、二号探月过程中的轨道设计与控制技术，又可以为未来月球探测任务打下良好的基础。

其次是环月轨道的选择。

探测器在月球上软着陆前，要经过围绕月球做环形飞行阶段，这就牵扯到环月轨道的选择问题。环月轨道的选择主要是要考虑对发射轨道和着陆阶段的影响。环月轨道高度越低，整个飞行过程最终所需要的速度增量越小，考虑到与“嫦娥一号”、二号探月技术的继承性，携带着陆器的“嫦娥三号”在到达近月点后，将首先通过近月制动，使探测器进入环月运行轨道，即200km高度的圆轨道，然后进行变轨，使之进入15kmX200km的极月轨道，再开始实施下一步的着陆下降过程。

在哪里着陆？

嫦娥三号探测器系统首席科学家叶培建：着陆点选择没有其他国家探测过的地方

作为此次嫦娥三号的首选着陆区，虹湾地区在五个预选着陆区中——虹湾、酒海、湿海、开普勒和阿里斯基撞击坑——综合条件是最好的。

嫦娥三号探测器系统首席科学家叶培建表示，我国科学家在选择登月的着陆区时，主要考虑的是以下4个方面的条件：

第一是安全性。着陆点要相对开阔平坦，便于“嫦娥”躲开月岩或月坑；第二是科学性。着陆点的地质构造以及月岩、月壤的物质元素要丰富，具有科学探测价值；第三是可测控。选择落在月球的对地面，并且光照比较充足的区域，便于通讯和测控的连续性；最后是创新性。我们要选择一个其他国家没有探测过的地方。

虹湾位于月球北纬43度、西经31度左右，南北长约100公里、东西长约300公里。转动月球仪，我们眼前的虹湾被一个巨大而侧倾的字母“C”包围着，轮廓形似一道弯弯的彩虹。其得名来自于拉丁文“Sinus Iridum”，意即“彩虹之湾”。虹湾西部和北部背倚的月陆区域是巍然耸立的侏罗山脉，而其缺口朝向的是月球第二大“海”——雨海。

通过对嫦娥一号、嫦娥二号传回的数据和图片，中国的科学家描绘出一幅虹湾地区的“写真图”——虹湾内的地形从东南向西北倾斜，最低点在西北部侏罗山内侧，深度超过3000米。虹湾内部总体地形坡度小于两度，相对比较平坦，上面不规则分布着一些深浅不一的陨石坑。

软着陆的风险

嫦娥三号最大的风险应该是软着陆这个环节。软着陆是指航天器利用一定的装置，改变运行轨道，逐渐减低降落速度，最后不受损坏地降落到地面或其他星体表面上。

欧阳自远在接受新浪网专访时表示，嫦娥三号将要软着陆月球，软着陆月球很难，主要问题是：第一，月球是真空，不能用降落伞，不能够慢悠悠地落下去，要是掉下去，肯定砸碎了。第二，尽管嫦娥二号为了准备嫦娥三号着陆精细地探测了降落区，做了一米分辨率的图，但一些小型的岩石也会产生致命的影响。

针对如何实现软着陆，嫦娥一号和嫦娥二号地面应用系统副总指挥刘建忠给出了“秘诀”——利用反推火箭，通过反推火箭向下喷气实现减速，最终实现软着陆。

除了减速难题以外，着陆区环境，特别是着陆区的地形和地貌的特点也将直接影响软着陆的成败。月球表面存在大大小小的撞击坑和石块，大的撞击坑和石块着陆器通过自主识别可以避开，而一些较小的坑或者石块就很难规避，如果着陆器上的支撑腿碰石块或者单个支撑腿伸进了小的坑洞，着陆器就很容易侧翻。探月工程高级顾问孙家栋表示，在降落的过程中，探测器会在一定的角度上稳定停一会儿，观察要落的地方的地表情况。如果地表情况不好的话，可以再修正，找个平整的地。这就是悬停避障。在悬停的过程中需要探测器看得清楚，判断得非常快。选择好地点后，再落下去。

携带探测器

欧阳自远独家解读：携带着陆器和月球车两个探测器

嫦娥三号是落月探测的任务，嫦娥三号包括两个探测器：一个着陆器加上一个月球车。月球车是装在着陆器里被锁上，然后由着陆器着陆。

到了月球后，着陆器要施展开，得到电源，调试所有仪器。调试好，给月球车供电，让月球车有了活力。然后着陆器打开一个梯子，让月球车走下来，这样就跟着陆器分开了。着陆器不能动，就待在月球上。月球车能够走动，能够自己导航，自己选择路线，自己爬坡，自己避开障碍，它的所有信号自己传回地球。着陆器也是自己调整仪器，自己探测，把得到的数据自己发回地球。着陆器是不动的，我们叫做“就位探测”；月球车是移动的，我们叫“巡视探测”，这两个相互配合，联合工作。

目前嫦娥一号探月卫星初步形状已定，研制进展顺利，关键技术取得重大突破，路线图已确定。

据中国空间技术研究院月球探测卫星总指挥兼总设计师叶培建介绍，卫星在和运载火箭分离后，将先在围绕地球的轨道上运行3~4圈，逐步加速，最后到达地－月转移轨道的入口速度，卫星沿大椭圆轨道飞向月球。

在地—月转移轨道，为保证卫星正确进入月球附近预定的位置，需进行2~3次轨道中途修正。在月球附近，为实现卫星环绕月球运动，需对卫星进行减速。通过3次近月点制动，逐步降低轨道的近月点，最终进入距月面200公里的工作轨道。整个“奔月”大概需要8~9天。

月球车的秘密

独家专访嫦娥一号、二号地面应用系统副总指挥刘建忠：靠核燃料电池完成月夜生成

月球车长1.5米，宽1米，高1.1米，有两片可以打开的太阳能电池帆板，六个轮状作为移动装置，同时还带有地月对话通讯天线，头顶的导航相机与前后方的避障相机，和负责钻孔、研磨和采样的机械臂。

“玉兔号”通过相机“观察”周围环境，对月面障碍进行感知和识别，然后对巡视的路径进行规划。遇到超过20度的斜坡、高于20厘米的石块或直径大于2米的撞击坑，能够自主判断安全避让。

虽然月球车神通广大，但它也面临一个大问题，那就是如何在月夜生存。

刘建忠说，月球自转和公转都是28天，所以“月球夜”会长达14天(月球日即白昼也有14天)。而由于月球没有大气层的保温和传热，月表昼夜的温差特别大，白天受到阳光照射的地方温度高达130-150摄氏度，月夜和阳光照不到的阴暗处温度会下降到负的160-180摄氏度。这种条件着陆器和月球车上的所有的仪器全部要冻坏，而普通电池也无法应对。所以要实现月夜生存需要有更为先进的能源供给设备，这次用的就是核燃料电池，来保证探测器能够安全渡过漫长寒冷的月夜。

欧阳自远表示，嫦娥三号巡视器——也就是百姓俗称的月球车——如果“落月”成功，并成功驶离着陆器后，将在月面工作3个月。

据探测器系统专家介绍，“玉兔”月球车号会慢慢移动，比人们想象的走得慢，时速约200米。它的高性能体现在越障能力和通过性，而不是追求高速度。

科学任务

孙家栋对新浪网表示，嫦娥三号成够与否，第二条件就是月球车自己走出去以后进行巡视勘察。月球车是很复杂的一套东西，它肩负着三项任务：一看天。就是在月球上看天体。在月球上看天体有什么好处？没有空气遮挡，没有污染，看得非常清楚。二是探地，不是探地球的地而是探月球的地，探测月球土壤的情况。这些数据要通过月球车传回来。

除此之外，月球车还肩负着“侧月”的任务，欧阳自远表示，我们在月球车上也放了很多仪器，有一样东西前人也没有做过：在月球车底下放了一台雷达，发射雷达波到月亮的地底下。它有波段：一个是测20米深那一段的土壤层结构是否分好几层，怎么分，有没有大石头；另一个波段是做100米深月球上部的结构。而且月球车有一个好处，可以一边走一边测，也就是“测月”。

嫦娥三号是着陆器与月球车联合探测，观天、看地、测月这都是别人没干过的，这是嫦娥三号最重要的科学任务。

在巡视的3个月中，月球车将依靠各种先进设备对月表进行三维光学成像、红外光谱分析，开展月壤厚度和结构的科学探测，现场分析月表物质的主要元素。月球车下装了一台雷达，可主动发射雷达波来探测二三十米厚的土壤、结构变化，同时还可测地下100米深次表层的结构，这是世界上其他国家目前没有做过的。