论文部分内容阅读
2013年12月14日晚，远赴太空的嫦娥三号月球探测器在月球虹湾着陆区着陆，“中国访客”让沉寂的“广寒宫”不再清虚寂寥。中国人千百年来的登月梦想，终于由“嫦娥”变成现实。
12月15日23时许，正在月球上开展科学探测工作的嫦娥三号着陆器、巡视器顺利完成互拍。通过电视直播展示的照片可以看到，在虹湾地区布满砾石和尘埃的灰黑色月面上，着陆器被阳光照得一片金色，月球车“胸前”的五星红旗鲜艳夺目。
随后，中国探月工程总指挥马兴瑞宣布，“嫦娥三号”任务取得圆满成功。
作为我国探月工程“绕、落、回”三步走中承上启下的关键一步，嫦娥三号自12月2日发射升空以来，在为期14天的太空旅行中先后突破多窗口窄宽度准时发射、月面软着陆、两器分离等关键技术。“两器”的成功互拍也意味着它们携带的载荷顺利工作，嫦娥三号“实现软着陆、开展就位探测和巡视勘查”的任务目标已经实现。
而随着“嫦娥”成功落月，“玉兔”信步虹湾，中国的探月步伐也将迎来新的征程。可以预见，肩负着探月使命的“嫦娥”，在未来承担更多中国深空探测重任的同时，还将用更为广阔的视野和开放包容的心态，与世界各国分享探月成果。或许，届时的“广寒宫”将成为人类探寻宇宙奥秘的新起点。
从升空到着陆，肩负中国探月工程“落月”重任的嫦娥三号进行了为期14天的太空旅行，并最终着陆于月球北纬43度、西经31度的虹湾地带。此次“奔月”主要分为发射、圆轨道绕月、椭圆轨道绕月、动力下降、“玉兔”登月和月面工作六大工作阶段。
第一阶段：飞行5天
长征三号乙遥二十三运载火箭搭载嫦娥三号在西昌发射，由运载火箭直接送入近地点约200千米、远地点约38万千米的地月转移轨道。飞行时间约为5天，其间进行2至3次中途修正。
第二阶段：圆轨道绕月4天
近月制动后，进入100×100千米的环月圆轨道，运行约4天后，实现变轨。
第三阶段：椭圆轨道绕月4天
变轨后进入100×15千米的椭圆轨道，运行约4天后，从高度约15千米的近月点开始动力下降。
第四阶段：下降720秒后着陆
动力下降的时间为720秒。其间，嫦娥三号利用微波测距敏感器、激光测距敏感器进行对月测距测速，利用光学成像敏感器在接近段进行粗避障，利用激光三位成像敏感器在悬停段进行精避障，实现安全区软着陆。
第五阶段：“玉兔”登月
着陆后，完成月球车释放，着陆器建立工作状态。“玉兔号”月球车移动到转移机构上，随转移机构运动到位，并驶离转移机构，抵达月面。
第六阶段：月面工作3个月到1年
此后，在月昼期间，着陆器在原地进行科学探测，月球车进行巡视勘察。着陆器在月面的工作时间是一年，月球车为三个月。
截至目前，不包括嫦娥三号，世界上共进行了129次月球探测活动。其中，美国59次，前苏联64次，日本和中国各2次，欧洲太空局和印度各1次，成功或基本成功66次，失败63次，成功率仅为51%。为攻克难关，保证任务圆满完成，科研人员在发射、测控、着陆等几大方面实现了历史性突破。
发射窗口是指适合航天器发射的时间范围，此范围的大小亦称发射窗口的宽度。据运载火箭系统总指挥岑拯介绍，本次任务的窗口期为3天，共设计了6个发射窗口。
岑拯说，发射窗口的选择需符合多项条件，首先是我国测控地理位置，以及航天器入轨之后和太阳、地球的相互关系。探测器与火箭分离后，要能接收测控通讯信号，又要照到阳光，能吸收太阳能。同时本次任务是要奔赴月球，因此要兼顾月球运动规律。此外为了预防受到恶劣天气条件的影响，需要选择连续3天以上的窗口期。2013年12月的这个窗口期，正是在多种条件下筛选而出的。
在3天的窗口期中，每天有2个发射窗口，共计6个。与普通航天器相比，嫦娥三号的发射窗口要求更为苛刻。运载火箭系统总设计师姜杰说，普通卫星只需发射到轨道面上即可，窗口较宽，有时可达一小时以上；但嫦娥三号要进入地月转移轨道，入轨精度高出数倍，窗口很窄。据了解，本次任务首个窗口只有4分钟，如果错过，只能等到第二个窗口，且仅有1分钟时间。
普通航天器发射时，如果错过一个窗口，只需等到下个窗口按原轨道发射即可。但嫦娥三号任务涉及地、月、探测器三体运动，因此6个窗口的轨道各不相同，为此科技人员付出了巨大努力。姜杰说，本次任务共完成了6条轨道的设计，6套制导、控制系统的设计，以及6个状态的硬件、软件，这些工作都进行了充分的验证。
嫦娥三号任务测控通信指挥部指挥长陈宏敏表示，本次任务包括月球软着陆、两器协同控制、巡视器遥操作等前所未有的新环节。还具备四个“不可逆”环节，包括近月制动控制、15公里降轨控制、动力下降控制和两器分离遥操作控制，这些环节过程复杂、控制约束条件多，还必须一次完成，一旦失误便难以挽回。
在本次任务中，启用了由直径达66米的我国首个深空测控天线，以及喀什35米测控站、上海65米射电天文望远镜组成的深空测控网，北京航天飞行控制中心也新建了深空干涉测量信号信息处理中心，为任务提供高精度测轨控制。
为满足地月间的测控距离，我国探月工程均采用了VLBI（甚長基线干涉测量）系统，但传统的VLBI测量方法和数据处理十分复杂。嫦娥一号、二号任务期间，各台站的数据是先通过网络传到上海天文台处理，再传到北京飞控中心，需要10分钟左右。而此次任务中的数据处理方法得到了很大改进，处理、传输过程仅需1分钟。同时在测量方法上加入了多项新技术，使测量精度大幅提高。
月球软着陆无疑是本次任务中最大看点之一。与嫦娥一号、二号相比，从下降到着陆过程是嫦娥三号面临的全新任务，完全靠探测器自主完成。
要在没有大气的月面实现短时间降落着陆，传统的降落伞全无用武之地，只能靠发动机反推并调节推力来实现。探测器系统总设计师孙泽洲介绍，嫦娥三号主发动机是我国航天器所用推力最大的发动机。 在降落过程中，高度控制尤为关键，这需要我国自主研制的敏感器发挥作用。随着落月过程的开始，敏感器就会精确测量嫦娥三号与月面的距离。当距月面数米高时，它将发出关机指令关闭发动机。此关机指令的发出，是实现落月的关键动作。
随着发动机反推力的撤离，着陆器在月球引力作用下以自由落体的方式着陆。尽管月球引力仅为地球的1/6，但为了尽可能保护设备，科技人员对着陆缓冲机构进行了精心设计。探测器系统着陆器着陆缓冲分系统主任设计师杨建中说，嫦娥三号的缓冲机构与阿波罗号有些相似，通常被称为“着陆腿”。
要承受着陆器落月的冲击，足够的强度是着陆腿需具备的首要条件。杨建中说，要满足强度要求很简单，但嫦娥三号要飞到月球，对重量控制非常严格，所有部件都要尽可能的轻。为此，科技人员对着陆腿进行了精雕细琢，去除任何多余的成分，让它充满“肌肉”，没有一丝多余“脂肪”。
同时着陆腿还要满足多项条件，如着陆时舒适、柔和，四条腿协调、稳定，并具备收拢、展开、支撑等功能。此外，在着陆腿的“脚底”还设置了传感器，触月时将发出信号，表示稳定落月。
作为这部“嫦娥奔月”大片的主角，“玉兔号”月球车的表现备受外界期待。中国航天科技集团宇航部部长赵小津指出，严格意义上说，月球车并不是一辆车，而是一个长着轮子能够适应恶劣空间环境，并开展空间科学探测的航天器，是一个低功耗、高智能的机器人。
月球车将在月球表面自主“行走”巡视探测，可耐受300度的温差。据了解，月球车上除了各种照相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪外，还在车底安装了雷达，将探测月球地表以下100米左右深度的地下结构。有专家指出，这是前人从未做过的，将对月球次表层探测作出贡献。
“月球重力是地球的1/6，表面土壤非常松软，凹凸不平，有石块、陨石坑，还有陡峭的高坡。在这种环境中，月球车既不能打滑，更不能翻车。”全程参与研制的主任设计师肖杰说，“玉兔号”在月面巡视时采取自主导航和地面遥控的组合模式，不仅可以自主前进、转弯、后退，还可以原地打转、横向侧摆，确保在危机四伏的月面上畅行无阻。”
月球车还可以自动进入休眠状态，并能自动唤醒重新工作。此间，“玉兔号”会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科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析等。
嫦娥三号由着陆器和巡视器（“玉兔号”月球车）组成，在月球着陆后，它们分开并互拍照片留念，然后各自开展科学考察工作。
其中，着陆器上搭载了天文月基望远镜，科学家希望它能发挥“月球天文台”的作用。据探月工程二期副总设计师孙辉先介绍，月基望远镜由望远镜主体、反射鏡转台组成，可对各种天文变源的亮度变化行为进行长时间连续监测，然后拍照把数据传回地球。
同时，着陆器还搭载了极紫外相机，将对地球周围等粒子体群的结构进行测量。据了解，太阳风暴会将许多粒子以每秒一千多公里的速度吹到地球，这些粒子被地球磁场捕获后，便在地球周围形成了等离子体层。太阳风暴对人类产生了很多负面影响，同时也蕴含了巨大电力，甚至超过全球发电量，但人类目前还无法使用。为此，科学家一直试图对它进行研究探索。美国曾经利用卫星在地球轨道上观测，也只能看到局部。而嫦娥三号在距离地球38万公里的月面，能够看到地球等离子层的全貌，并有望通过全方位、长期的观测研究，获取地球等离子体层三维图像。如果实现，将有助于了解太阳和地球的相互关系。
不同于地球，月球表面昼夜温差较大，温度高时有120℃，温度低时在-180℃。而且月球的昼夜交替周期也较长，这给嫦娥三号的月面生存带来了很大困难。
中国航天科技集团着陆器热控分系统主任设计师刘自军用“盖被子”、“生炉子”和“开空调”等熟知的概念，解释了嫦娥三号的热控设计。嫦娥三号上有一个多层隔热组件，也就是所谓的“被子”，可以双向隔热，外部高温时热量不能往里传，外部寒冷时里面热量不外漏。
寒冷时嫦娥三号还得“生炉子”。“炉子”主要是同位素核源，它能够持续放热。设计师们还设计了重力驱动的两项流体回路，在需要时将热量导入舱内，不需要时切断传热途径。
到了月昼时，虹湾温度迅速升高至90℃，在月球表面，散热的方式只有热辐射。设计师们在探测器上精心设计了几个散热面，可以把设备发出的热量散出去。
嫦娥三号奔向月球，浩瀚太空将再次见证“中国创造”的力量。中国成为继美俄之后第三个掌握落月探测技术的国家，嫦娥三号也是美国阿波罗计划结束后世界上重返月球的第一个软着陆探测器。嫦娥三号任务被视为探月工程的关键一步，对整个探月工程乃至航天事业的发展具有重要意义。成功实现这一步，意味着中国航天工程突破了月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术。
新加坡《联合早报》报道称，月球探测作为一项非常复杂并且具有高风险的工程，投入其中的不仅是中国的顶尖科学技术与人才，还有国家财力的巨大支持，因此航天工程也是中国综合国力的展现。北京航空航天大学教授王湘穗指出，“嫦娥奔月”探月工程是为载人登月工程做准备，嫦娥三号探测器的成功发射也标志着中国航天技术系统工程扎实地进步。（本刊综合）※
12月15日23时许，正在月球上开展科学探测工作的嫦娥三号着陆器、巡视器顺利完成互拍。通过电视直播展示的照片可以看到，在虹湾地区布满砾石和尘埃的灰黑色月面上，着陆器被阳光照得一片金色，月球车“胸前”的五星红旗鲜艳夺目。
随后，中国探月工程总指挥马兴瑞宣布，“嫦娥三号”任务取得圆满成功。
作为我国探月工程“绕、落、回”三步走中承上启下的关键一步，嫦娥三号自12月2日发射升空以来，在为期14天的太空旅行中先后突破多窗口窄宽度准时发射、月面软着陆、两器分离等关键技术。“两器”的成功互拍也意味着它们携带的载荷顺利工作，嫦娥三号“实现软着陆、开展就位探测和巡视勘查”的任务目标已经实现。
而随着“嫦娥”成功落月，“玉兔”信步虹湾，中国的探月步伐也将迎来新的征程。可以预见，肩负着探月使命的“嫦娥”，在未来承担更多中国深空探测重任的同时，还将用更为广阔的视野和开放包容的心态，与世界各国分享探月成果。或许，届时的“广寒宫”将成为人类探寻宇宙奥秘的新起点。
从升空到着陆，肩负中国探月工程“落月”重任的嫦娥三号进行了为期14天的太空旅行，并最终着陆于月球北纬43度、西经31度的虹湾地带。此次“奔月”主要分为发射、圆轨道绕月、椭圆轨道绕月、动力下降、“玉兔”登月和月面工作六大工作阶段。
第一阶段：飞行5天
长征三号乙遥二十三运载火箭搭载嫦娥三号在西昌发射，由运载火箭直接送入近地点约200千米、远地点约38万千米的地月转移轨道。飞行时间约为5天，其间进行2至3次中途修正。
第二阶段：圆轨道绕月4天
近月制动后，进入100×100千米的环月圆轨道，运行约4天后，实现变轨。
第三阶段：椭圆轨道绕月4天
变轨后进入100×15千米的椭圆轨道，运行约4天后，从高度约15千米的近月点开始动力下降。
第四阶段：下降720秒后着陆
动力下降的时间为720秒。其间，嫦娥三号利用微波测距敏感器、激光测距敏感器进行对月测距测速，利用光学成像敏感器在接近段进行粗避障，利用激光三位成像敏感器在悬停段进行精避障，实现安全区软着陆。
第五阶段：“玉兔”登月
着陆后，完成月球车释放，着陆器建立工作状态。“玉兔号”月球车移动到转移机构上，随转移机构运动到位，并驶离转移机构，抵达月面。
第六阶段：月面工作3个月到1年
此后，在月昼期间，着陆器在原地进行科学探测，月球车进行巡视勘察。着陆器在月面的工作时间是一年，月球车为三个月。
截至目前，不包括嫦娥三号，世界上共进行了129次月球探测活动。其中，美国59次，前苏联64次，日本和中国各2次，欧洲太空局和印度各1次，成功或基本成功66次，失败63次，成功率仅为51%。为攻克难关，保证任务圆满完成，科研人员在发射、测控、着陆等几大方面实现了历史性突破。
发射窗口是指适合航天器发射的时间范围，此范围的大小亦称发射窗口的宽度。据运载火箭系统总指挥岑拯介绍，本次任务的窗口期为3天，共设计了6个发射窗口。
岑拯说，发射窗口的选择需符合多项条件，首先是我国测控地理位置，以及航天器入轨之后和太阳、地球的相互关系。探测器与火箭分离后，要能接收测控通讯信号，又要照到阳光，能吸收太阳能。同时本次任务是要奔赴月球，因此要兼顾月球运动规律。此外为了预防受到恶劣天气条件的影响，需要选择连续3天以上的窗口期。2013年12月的这个窗口期，正是在多种条件下筛选而出的。
在3天的窗口期中，每天有2个发射窗口，共计6个。与普通航天器相比，嫦娥三号的发射窗口要求更为苛刻。运载火箭系统总设计师姜杰说，普通卫星只需发射到轨道面上即可，窗口较宽，有时可达一小时以上；但嫦娥三号要进入地月转移轨道，入轨精度高出数倍，窗口很窄。据了解，本次任务首个窗口只有4分钟，如果错过，只能等到第二个窗口，且仅有1分钟时间。
普通航天器发射时，如果错过一个窗口，只需等到下个窗口按原轨道发射即可。但嫦娥三号任务涉及地、月、探测器三体运动，因此6个窗口的轨道各不相同，为此科技人员付出了巨大努力。姜杰说，本次任务共完成了6条轨道的设计，6套制导、控制系统的设计，以及6个状态的硬件、软件，这些工作都进行了充分的验证。
嫦娥三号任务测控通信指挥部指挥长陈宏敏表示，本次任务包括月球软着陆、两器协同控制、巡视器遥操作等前所未有的新环节。还具备四个“不可逆”环节，包括近月制动控制、15公里降轨控制、动力下降控制和两器分离遥操作控制，这些环节过程复杂、控制约束条件多，还必须一次完成，一旦失误便难以挽回。
在本次任务中，启用了由直径达66米的我国首个深空测控天线，以及喀什35米测控站、上海65米射电天文望远镜组成的深空测控网，北京航天飞行控制中心也新建了深空干涉测量信号信息处理中心，为任务提供高精度测轨控制。
为满足地月间的测控距离，我国探月工程均采用了VLBI（甚長基线干涉测量）系统，但传统的VLBI测量方法和数据处理十分复杂。嫦娥一号、二号任务期间，各台站的数据是先通过网络传到上海天文台处理，再传到北京飞控中心，需要10分钟左右。而此次任务中的数据处理方法得到了很大改进，处理、传输过程仅需1分钟。同时在测量方法上加入了多项新技术，使测量精度大幅提高。
月球软着陆无疑是本次任务中最大看点之一。与嫦娥一号、二号相比，从下降到着陆过程是嫦娥三号面临的全新任务，完全靠探测器自主完成。
要在没有大气的月面实现短时间降落着陆，传统的降落伞全无用武之地，只能靠发动机反推并调节推力来实现。探测器系统总设计师孙泽洲介绍，嫦娥三号主发动机是我国航天器所用推力最大的发动机。 在降落过程中，高度控制尤为关键，这需要我国自主研制的敏感器发挥作用。随着落月过程的开始，敏感器就会精确测量嫦娥三号与月面的距离。当距月面数米高时，它将发出关机指令关闭发动机。此关机指令的发出，是实现落月的关键动作。
随着发动机反推力的撤离，着陆器在月球引力作用下以自由落体的方式着陆。尽管月球引力仅为地球的1/6，但为了尽可能保护设备，科技人员对着陆缓冲机构进行了精心设计。探测器系统着陆器着陆缓冲分系统主任设计师杨建中说，嫦娥三号的缓冲机构与阿波罗号有些相似，通常被称为“着陆腿”。
要承受着陆器落月的冲击，足够的强度是着陆腿需具备的首要条件。杨建中说，要满足强度要求很简单，但嫦娥三号要飞到月球，对重量控制非常严格，所有部件都要尽可能的轻。为此，科技人员对着陆腿进行了精雕细琢，去除任何多余的成分，让它充满“肌肉”，没有一丝多余“脂肪”。
同时着陆腿还要满足多项条件，如着陆时舒适、柔和，四条腿协调、稳定，并具备收拢、展开、支撑等功能。此外，在着陆腿的“脚底”还设置了传感器，触月时将发出信号，表示稳定落月。
作为这部“嫦娥奔月”大片的主角，“玉兔号”月球车的表现备受外界期待。中国航天科技集团宇航部部长赵小津指出，严格意义上说，月球车并不是一辆车，而是一个长着轮子能够适应恶劣空间环境，并开展空间科学探测的航天器，是一个低功耗、高智能的机器人。
月球车将在月球表面自主“行走”巡视探测，可耐受300度的温差。据了解，月球车上除了各种照相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪外，还在车底安装了雷达，将探测月球地表以下100米左右深度的地下结构。有专家指出，这是前人从未做过的，将对月球次表层探测作出贡献。
“月球重力是地球的1/6，表面土壤非常松软，凹凸不平，有石块、陨石坑，还有陡峭的高坡。在这种环境中，月球车既不能打滑，更不能翻车。”全程参与研制的主任设计师肖杰说，“玉兔号”在月面巡视时采取自主导航和地面遥控的组合模式，不仅可以自主前进、转弯、后退，还可以原地打转、横向侧摆，确保在危机四伏的月面上畅行无阻。”
月球车还可以自动进入休眠状态，并能自动唤醒重新工作。此间，“玉兔号”会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科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析等。
嫦娥三号由着陆器和巡视器（“玉兔号”月球车）组成，在月球着陆后，它们分开并互拍照片留念，然后各自开展科学考察工作。
其中，着陆器上搭载了天文月基望远镜，科学家希望它能发挥“月球天文台”的作用。据探月工程二期副总设计师孙辉先介绍，月基望远镜由望远镜主体、反射鏡转台组成，可对各种天文变源的亮度变化行为进行长时间连续监测，然后拍照把数据传回地球。
同时，着陆器还搭载了极紫外相机，将对地球周围等粒子体群的结构进行测量。据了解，太阳风暴会将许多粒子以每秒一千多公里的速度吹到地球，这些粒子被地球磁场捕获后，便在地球周围形成了等离子体层。太阳风暴对人类产生了很多负面影响，同时也蕴含了巨大电力，甚至超过全球发电量，但人类目前还无法使用。为此，科学家一直试图对它进行研究探索。美国曾经利用卫星在地球轨道上观测，也只能看到局部。而嫦娥三号在距离地球38万公里的月面，能够看到地球等离子层的全貌，并有望通过全方位、长期的观测研究，获取地球等离子体层三维图像。如果实现，将有助于了解太阳和地球的相互关系。
不同于地球，月球表面昼夜温差较大，温度高时有120℃，温度低时在-180℃。而且月球的昼夜交替周期也较长，这给嫦娥三号的月面生存带来了很大困难。
中国航天科技集团着陆器热控分系统主任设计师刘自军用“盖被子”、“生炉子”和“开空调”等熟知的概念，解释了嫦娥三号的热控设计。嫦娥三号上有一个多层隔热组件，也就是所谓的“被子”，可以双向隔热，外部高温时热量不能往里传，外部寒冷时里面热量不外漏。
寒冷时嫦娥三号还得“生炉子”。“炉子”主要是同位素核源，它能够持续放热。设计师们还设计了重力驱动的两项流体回路，在需要时将热量导入舱内，不需要时切断传热途径。
到了月昼时，虹湾温度迅速升高至90℃，在月球表面，散热的方式只有热辐射。设计师们在探测器上精心设计了几个散热面，可以把设备发出的热量散出去。
嫦娥三号奔向月球，浩瀚太空将再次见证“中国创造”的力量。中国成为继美俄之后第三个掌握落月探测技术的国家，嫦娥三号也是美国阿波罗计划结束后世界上重返月球的第一个软着陆探测器。嫦娥三号任务被视为探月工程的关键一步，对整个探月工程乃至航天事业的发展具有重要意义。成功实现这一步，意味着中国航天工程突破了月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术。
新加坡《联合早报》报道称，月球探测作为一项非常复杂并且具有高风险的工程，投入其中的不仅是中国的顶尖科学技术与人才，还有国家财力的巨大支持，因此航天工程也是中国综合国力的展现。北京航空航天大学教授王湘穗指出，“嫦娥奔月”探月工程是为载人登月工程做准备，嫦娥三号探测器的成功发射也标志着中国航天技术系统工程扎实地进步。（本刊综合）※