繞、落、回

自2006年我國的探月工程——嫦娥工程實(shí)施以來，民眾對“繞、落、回”三個字想必十分熟悉。目前我們正在實(shí)施的是其二期工程。簡單回顧一下探月三期的具體步驟：一期繞月探測，即發(fā)射一顆月球探測衛(wèi)星對月球進(jìn)行全球性普查。已由2007年10月24日發(fā)射的“嫦娥”1號月球探測衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)，其在軌有效探測16個月，于2009年3月受控撞月，實(shí)現(xiàn)了我國自主研制衛(wèi)星進(jìn)入月球軌道的突破，并獲得全月圖。

二期工程為落月探測，實(shí)現(xiàn)月球軟著陸和自動巡查。即發(fā)射月球軟著陸器，并攜帶月球巡視勘察器（俗稱月球車），在著陸器落區(qū)附近進(jìn)行就位精細(xì)探測，對月球進(jìn)行區(qū)域性詳查。先導(dǎo)星“嫦娥”2號于2010年10月發(fā)射，為本次的“嫦娥”3號驗證了部分關(guān)鍵技術(shù)。特別是詳細(xì)勘察了“嫦娥”3號可能的落月區(qū)域，在成功獲得世界上首幅7米分辨率全月圖后，“嫦娥”2號超額完成環(huán)繞探測日地拉格朗日L2點(diǎn)、飛越探測圖塔蒂斯小行星的“附加題”，目前已飛離地球約6 000萬千米，成為離我們最遠(yuǎn)的“Made in China”。

三期工程為采樣返回探測，即發(fā)射月球采樣返回器，軟著陸在月球表面特定區(qū)域，并進(jìn)行分析采樣，然后將月球樣品帶回地球，在地面實(shí)驗室對樣品進(jìn)行詳細(xì)研究、精準(zhǔn)分析。為實(shí)現(xiàn)無人自動采樣返回的創(chuàng)舉，計劃于2014年實(shí)施再入返回實(shí)驗，并與2017年發(fā)射“嫦娥”5號（‘嫦娥4號為3號的備份，目前業(yè)已完成關(guān)鍵單機(jī)產(chǎn)品研制）。

嫦娥工程三大步，每一步都是對前一步的深化，并為下一步奠定基礎(chǔ)。本次發(fā)射的“嫦娥”3號為二期工程主任務(wù)，核心是實(shí)現(xiàn)探測設(shè)備登上月球，進(jìn)行科學(xué)探測。其全稱叫“月面軟著陸探測與自動巡視勘察”，即把月球探測器發(fā)射至月球表面軟著陸進(jìn)行探測，精細(xì)探測著陸區(qū)的土壤、巖石、環(huán)境、熱流和月表的環(huán)境，進(jìn)行高分辨率攝影和月巖的現(xiàn)場探測或采樣分析，建設(shè)月基天文臺，為后續(xù)進(jìn)一步開發(fā)的月球基地選址提供月面環(huán)境、地形、月巖的化學(xué)與物理性質(zhì)等數(shù)據(jù)。

40年后，真正重返月球

“嫦娥”3號顧問葉培建院士介紹：“‘嫦娥3號是我國發(fā)射的第一個地外軟著陸探測器和巡視器（或稱月球車），也是第一輪探月活動結(jié)束后世界上重返月球的第一個軟著陸探測器”。

在經(jīng)歷了1959至1976年第一次探月高潮之后，世紀(jì)之交，人類大張旗鼓展開了第二輪探月新高潮。本輪，不論是美國的“克萊門汀”號、“月球勘探者”號，還是歐洲的“智慧”1號，包括日本和印度的探月先驅(qū)，都只是在外圍遠(yuǎn)觀，還未有一架探測器平平穩(wěn)穩(wěn)地著陸月球?？梢哉f，我國的“嫦娥”3號真正肩負(fù)起了“重返月球”的重任。

1973年1月8日，蘇聯(lián)發(fā)射的“月球車”2號登陸月面，進(jìn)行了較大范圍的月面勘測考察。至此40年間，月球表面一直寂寞沉積，再無可移動的“人”問津（1976年，蘇聯(lián)曾發(fā)射月球-24采樣器）。2013年的12月，時隔40年之遙，“嫦娥”3號將代表全人類，再次踏上月表塵封已久的表面，印上中國的印跡。

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是離地球最近的宇宙天體，表面保存著其自46億年前形成以來，至31億年前其結(jié)束行星活動能力為止，期間的地質(zhì)活動記錄。對人們認(rèn)識地球和太陽系的起源和演化歷史有重要意義。探測距地球最近的天體——月球，是人類走向廣袤太空的第一步。我們說，月球是人類探索未知的“第一個選擇”，也是最簡單的選擇。但是，在我們將人類掌握的最先進(jìn)科技，能用的、需要的全都用了上去之后，也僅僅是將12個人送去轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)，帶回了些石塊。一切似乎很偉大，但其實(shí)只是剛起步。

如果說第一波探月熱潮來源于政治、軍事和科技的競賽。始于上世紀(jì)90年代初的第二波探月則顯得更為務(wù)實(shí)及穩(wěn)健。人類在滿懷著探測宇宙深空的美好愿望，實(shí)現(xiàn)了載人登月并成功返回的技術(shù)驗證后，再次向月球進(jìn)發(fā)，一切皆源于月亮的現(xiàn)實(shí)“誘惑”。1979年聯(lián)合國大會通過的《關(guān)于月球的協(xié)定》和早年通過的《外層空間條約》表明，月球不屬于任何國家，月球及其自然資源是“全人類的共同財產(chǎn)”，只要“用于和平的目的”并“造福全人類”，各國均有權(quán)對其進(jìn)行考察研究。

除了赫赫有名、蘊(yùn)藏在月壤中的未來能源氦-3的巨大誘惑外，月球上還包括5種地球沒有的礦物，另外一些稀有金屬的儲量可與地球互補(bǔ)，僅月海玄武巖中含有可開采利用的鈦金屬至少就有100萬億噸。

月球這個“真空世界（超高真空、沒有氣候變化、沒有污染、弱重力、地基穩(wěn)定、沒有磁場和無線電波干擾）”是進(jìn)行天文觀測、基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗、研制新型材料與生物制品的理想場所。此次，我國的“嫦娥”3號著陸器上就攜帶有月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將首次實(shí)現(xiàn)月基天文觀測。利用無大氣遮蔽的、迄今最高的微型“天文臺”對深空進(jìn)行全新角度的“凝視”。

3笑傾城

“嫦娥”1號開拓，“嫦娥”2號驚喜，那么“嫦娥”3號會帶給我們什么呢？“一笑傾人城，再笑傾人國”，三笑，有望傾動寰宇。我們掀起她神秘的面紗，先一睹芳容。

“嫦娥”3號探測器由著陸器和巡視器（月球車）兩部分組成。月球車發(fā)射時置身著陸器內(nèi)，兩器分離前，月球車為探測器的載荷；分離后，為兩個獨(dú)立的探測器，各自分工不同，展開月面探測工作。整個探測器發(fā)射狀態(tài)時，包絡(luò)尺寸直徑不大于4米，高度不大于3.6米。

其中著陸器有4條支架腿，除了頭頂最寶貝的月球車外，還將攜帶常規(guī)的獲取月表光學(xué)圖像的地形地貌相機(jī)；曾搭載于“嫦娥”2號的，在月表軟著陸過程中獲取各個高度降落區(qū)域月貌的降落相機(jī)；上述月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；反觀地球以獲取地球等離子體層成像，可提高中國空間環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報能力的極紫外相機(jī)等4種有效載荷。

月球車質(zhì)量約140千克，大約相當(dāng)于未來著陸器中兩名乘客的重量。有6個輪子，在順利完成解鎖、展開、平移、駛離的兩器分離環(huán)節(jié)后，與其母體——著陸器永久分離，獨(dú)自開展數(shù)月的月球巡視勘察。作為本次探月之旅的明星，這臺我國自行研制的具有最高智能的機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)全自主導(dǎo)航、避障、路徑選擇、探測點(diǎn)確定、選擇探測儀器等功能。月球車行進(jìn)的運(yùn)行速度將大于200米/小時，慢是慢了點(diǎn)兒，但也是烏龜?shù)膬杀赌?。設(shè)計可越過0.2米高的月表障礙。具備原地轉(zhuǎn)向的能力，行進(jìn)時轉(zhuǎn)向半徑小于1.5米，使得其在月海邊緣，設(shè)計著陸區(qū)域內(nèi)可往復(fù)運(yùn)動，并靈活避障。安裝在月球車底部的測月雷達(dá)，可探測月球車巡視路線上月殼淺層結(jié)構(gòu)和月壤厚度，有消息稱探測深度有望達(dá)到100米。

月球車上攜帶360度全景相機(jī)，用于實(shí)地獲取著陸區(qū)及巡視區(qū)的月表三維圖像。著陸器和月球車分離后可以互相“監(jiān)視”，建議地面遙控的工程師們，在適當(dāng)?shù)臅r候讓它們學(xué)“好奇”號自拍賣個萌，再來張“互拍”存?zhèn)€證。記得在月球車上貼一面中國國旗！

直通月球

讓大家印象深刻的“嫦娥”1號發(fā)射過程圖上，“嫦娥”先圍著地球繞幾個圈，走完地月轉(zhuǎn)移軌道后，再圍著月球繞幾個圈。用專業(yè)點(diǎn)的語言描述就是先發(fā)射到近地軌道過渡，歷經(jīng)4種不同軌道，實(shí)施8次變軌后，才進(jìn)入月球軌道。歷時13天之多，似乎奔月異常艱難。

事實(shí)上，在“嫦娥”2號衛(wèi)星發(fā)射時，這種曲線報國的狀況就已經(jīng)改善。它由運(yùn)載火箭直接送入近地點(diǎn)200千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)約38萬千米的奔月軌道，5天左右就順利進(jìn)入環(huán)月軌道。與“嫦娥”1號規(guī)規(guī)矩矩走“國道”不同，有了底氣的2號大大方方開上了“高速”。并成功開辟這一既快又準(zhǔn)的通道，將其身為探月工程二期“先導(dǎo)星”的作用發(fā)揮了個淋漓盡致。

與“嫦娥”2號一樣，本次的“嫦娥”3號同樣采用能助其直通月球的大推力火箭。不同的是，由于“三姑娘”比“二姑娘”發(fā)射質(zhì)量重了1噸左右，因此正式啟用當(dāng)時“嫦娥”2號發(fā)射時，“舍不得”用的“長征”3號乙改2型捆綁式火箭。

我國發(fā)射“嫦娥”1號衛(wèi)星使用的是長三甲，作為“長征”3號火箭家族中的“大哥”，它被譽(yù)為“金牌火箭”。當(dāng)時考慮更多的是首次飛行任務(wù)的成功，所以采用了常規(guī)而保險的發(fā)射方式。到“嫦娥”2號的時候，由于增加了技術(shù)試驗分系統(tǒng)，身量增加了130多千克，達(dá)到2 482千克，直奔地月轉(zhuǎn)移軌道也需要推力更大的火箭，把衛(wèi)星奔月的初速度提高到近11千米/秒，長三甲無法滿足這樣的要求。家族中的“二弟”長三乙是當(dāng)時我國推力最大的火箭，對于總重不到3噸的衛(wèi)星來說有些“有力用不完”。而有著兩個助推器的長三丙，正好可以滿足軌道和推力的要求。因此，探月專家們當(dāng)時把“二姑娘”許配給了“三弟”。

而這一次，大家伙配大火箭，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合?！俺丝紤]最有效利用推力以外，專家們考慮的核心問題是火箭的可靠性”，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體部相關(guān)專家介紹，“‘嫦娥1號衛(wèi)星發(fā)射采用調(diào)相軌道，對火箭來說類似于打‘固定靶。而‘嫦娥3號以及之前的2號衛(wèi)星發(fā)射采用地月轉(zhuǎn)移軌道，火箭要兼顧地月日之間的關(guān)系，發(fā)射類似于打‘移動靶。”增加的難度可想而知。

地月轉(zhuǎn)移軌道的軌道設(shè)計要受到多方面因素制約，除了我們能夠直觀理解的要考慮其決定性因素——地月日三者之間的運(yùn)動規(guī)律，以及我國的實(shí)際情況——測控覆蓋范圍之外，火箭一級落區(qū)也是一個需要考慮的現(xiàn)實(shí)因素。我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的火箭，其一二級分離后，一級火箭的殼體和發(fā)動機(jī)按規(guī)定要落在西南地區(qū)特定的區(qū)域內(nèi)。由于該區(qū)域已形成發(fā)射時人員撤離的慣例，為保障地面人員的安全而實(shí)施管理相對容易推行。所以作為一個外界人為影響的因素，要求一級火箭的落區(qū)限定在原有特定區(qū)域，也是設(shè)計軌道時必須要考慮的。

在嚴(yán)格的軌道設(shè)計條件約束下，打“移動靶”的“嫦娥”3號發(fā)射窗口寬度異常緊張，在12月2日至4日期間，每天有2個發(fā)射窗口。每天的第一個窗口寬度為4分鐘，如未實(shí)施發(fā)射，40分鐘后進(jìn)入第二發(fā)射窗口，而第二個發(fā)射窗口寬度僅為1分鐘。

本次發(fā)射，再此印證我國火箭可直指第二宇宙速度，意味著我國不但可以順利推進(jìn)探月工程后續(xù)任務(wù)，而且為今后有條件時進(jìn)行火星、金星等深空探測，搭造了更遠(yuǎn)的“天梯”。

落下去，走起來

從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，運(yùn)載火箭將探測器直接送入近地點(diǎn)約200千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)38萬千米（地月距離）的地月轉(zhuǎn)移軌道。探測器在軌飛行5天，進(jìn)行1至3次中途修正。為了被月球捕獲，探測器將主動創(chuàng)造條件，制動降速。之后受月球引力作用，進(jìn)入100千米環(huán)月圓軌道。繞月4天，變軌改為與“嫦娥”2號相同的15千米×100千米橢圓軌道。進(jìn)行到這一步時，基本過程與其先鋒軍“嫦娥”2號基本相同。

之后，就是屬于“嫦娥”3號創(chuàng)造奇跡的時刻了。在環(huán)月橢圓軌道運(yùn)行4天，充分“熱身”完畢之后，“嫦娥”3號將進(jìn)入最受矚目的著陸階段。在橢圓軌道的近月點(diǎn)，即高度為15千米時，接到地面下達(dá)的“落月”指令后，開始動力下降。此階段大約持續(xù)720秒，航程約430千米，逐步降低軌道高度。期間利用微波測距敏感器、激光測距敏感器，測量與月球的相對距離和相對速度。

這一下降過程還是存在很大風(fēng)險的。我們知道，月球上最高的山脈比喜馬拉雅山的珠峰還高，近萬米，除此之外還有許多錯落險峻山帶。對于高速飛行的探測器來說，即使是幾秒的時間偏差，也有可能致其撞上高山。

在下降到距離月面3 000米左右時，利用光學(xué)成像敏感器，識別和避開較大障礙，進(jìn)行粗避障。因為月球是真空環(huán)境，降落傘是用不上的。所以“嫦娥”3號只能是一邊降落，一邊用反推發(fā)動機(jī)把速度降下來。又由于月球表面凹凸不平，為了避開大石頭和大坑，在“嫦娥”3號降落到距月面約100米時，利用三維成像敏感器，進(jìn)行精避障。它會像直升機(jī)一樣懸停一會兒，以有充分的時間觀察地形，智能選擇一塊“看”上去比較平坦的地方，平飛到自主選擇的著陸點(diǎn)上空，靠反推發(fā)動機(jī)慢慢下降。

直到降落至距月面4米高時，為避免揚(yáng)起月塵，污染相機(jī)鏡頭或影響其他設(shè)備工作，權(quán)衡再三，專家們選擇關(guān)閉發(fā)動機(jī)。要知道鏡頭如果被蒙上厚厚一層塵埃，可是沒有“人”用眼鏡布幫它擦擦干凈的。反推發(fā)動機(jī)關(guān)閉后，“嫦娥”3號將迅速自由落體，不過由于月球的萬有引力常量是地球上的1/6，還不至于摔得太嚴(yán)重。著陸器上的四個支架腿也能夠起到緩沖作用，而且，每只腳上都穿了一只特制的馬蹄形大“鞋”，讓它在月面上能滑動一段，像跳運(yùn)動員那樣，可以進(jìn)一步緩沖，避免硬撞急停。

安全落月，著陸器先要完成工作狀態(tài)建立，并擇機(jī)釋放月球車。月球車先要移動到類似導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上，隨其一起運(yùn)動到位，并駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，抵達(dá)月面。至此開始各自獨(dú)立的“科研”工作。著陸器設(shè)計月面工作一年，月球車勘察巡視3個月。

熬過虹灣的漫長冬夜

“嫦娥”3號的著陸地點(diǎn)基本確定在月球虹灣地區(qū)。虹灣，又名“彩虹之灣”。當(dāng)我們仰望夜空時，就能看到月球上有大面積的暗黑區(qū)域，被稱之為月海。因為并不存在水，月海也并不是真正意義上的海，而是由類似地球玄武巖的巖石組成的平原，月海伸向月“陸地”部分稱為月灣和月沼，虹灣就是月球的月灣之一。

“嫦娥”2號在幫3號考察著陸點(diǎn)時，重點(diǎn)觀測的便是虹灣，并繪制了高精度三維景觀圖。在遍歷了虹灣周圍具備地形平坦、能源充足、可保障通信暢通和軌控有效的區(qū)域后，本次理想著陸區(qū)域確定為月球北緯42.6度至45.6度、西經(jīng)18.2度至34.6度范圍內(nèi)。

著陸器在懸停自動避開月面障礙，自由落體實(shí)現(xiàn)軟著陸后，落月點(diǎn)相對隨機(jī)。落到哪里，著陸器就對哪里進(jìn)行科學(xué)探測。月球車同樣，在月球表面行走，走到哪里就探測到哪里，在茫茫月表，自由“馳騁”。月球車頭頂?shù)奈U上有兩對相機(jī)和一根定向天線。胸前白色機(jī)械臂則用于對月表成分進(jìn)行探測。它還會在月球表面采集一些樣品，進(jìn)行就位分析，然后將分析的結(jié)果、月面圖像及地質(zhì)地貌情況傳回地球。

中國探月工程首席科學(xué)家、天體化學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)院士介紹，月球上，天一黑就是近半個月（月球的一天約相當(dāng)于地球的27天，而且13天半是陽光普照的白天，13天半是寒冷的黑夜）。月晝期間，太陽熱流照射時間長，最高溫達(dá)150℃。頂著酷暑，著陸器和月球車分別開展就位探測及巡視勘察，獲取并回傳科學(xué)數(shù)據(jù)，并默默期盼高溫假的到來。

終于當(dāng)月夜降臨，兩器斷電休眠。月球晚上的溫度可達(dá)零下180℃，而月球車上很多設(shè)備的工作溫度都有嚴(yán)格限制，儀器可承受的最低溫約零下40℃。這也就是說，如果在月球的漫漫寒夜中沒有足夠能源給儀器保溫，全部儀器要凍壞，在下一個白晝來臨之時，月球車將無法“醒過來”。依靠傳統(tǒng)衛(wèi)星用太陽能電池板不足以儲蓄半個月的電量，唯一的手段就是依靠核能——同位素溫差電源與熱利用技術(shù)，以保持整個探測器的溫度。此外，先進(jìn)的熱控系統(tǒng)、月塵環(huán)境下機(jī)構(gòu)的潤滑與密封等技術(shù)，也將確保探測器系統(tǒng)順利度過月夜。其中，為保溫為創(chuàng)新的，低重力環(huán)境下機(jī)構(gòu)重復(fù)展開與收攏技術(shù)比較有趣。到了晚上，原本展開的太陽帆板就會折疊起來，像被子一樣蓋在月球車上。

核電池與太陽能電池一起工作，協(xié)同作戰(zhàn)，各司其職。但并不是外界盛傳的“混合動力驅(qū)動”，歐陽自遠(yuǎn)介紹說：“太陽能負(fù)責(zé)提供月球車各種儀器的工作能源和驅(qū)動月球車行駛，而核能只負(fù)責(zé)在夜晚給月球車的儀器保溫。并沒有利用核能驅(qū)動月球車。”

“嫦娥”3號月球車，同“好奇”號火星車上核電池原料的一樣，都是钚238。它的半衰期約為80年，衰變過程中釋放出能量，可保持二三十年的生命力。

探、登、駐

就在“嫦娥”3號飛天準(zhǔn)備工作緊鑼密鼓展開的時候，2011年1月，探月工程的三期已悄然立項，它包括“嫦娥”5號和6號兩次任務(wù)。由于有因“嫦娥”1號出色完成任務(wù)，其原本的備份——“嫦娥”2號便轉(zhuǎn)入第二階段，作為先導(dǎo)星開拓驗證新技術(shù)的先例。不知作為“嫦娥”3號備份的4號，會不會依次順利轉(zhuǎn)入第三階段，為返回驗證技術(shù)難點(diǎn)，以保障采樣返回階段任務(wù)的成功實(shí)施。

“嫦娥”5號落月后將從月球上采集樣品并返回地球，有望突破月面采樣、月面起飛上升、月球軌道交會對接和從月球返回等技術(shù)。據(jù)悉，為攜帶返回裝置，“嫦娥”5號探測器將超出目前常規(guī)衛(wèi)星平臺的構(gòu)架。由于太重太大，需更大推力的“長征”5號火箭運(yùn)載發(fā)射，該火箭已在研制中。2017年，直徑超出火車承載最大寬度的“長征”5號將通過船運(yùn)，運(yùn)往正在建設(shè)中的海南文昌發(fā)射場。

至今，人類總共發(fā)射了129個月球探測器，其中美國59個（成功率68%），蘇聯(lián)64個（成功率33%），日本2個（成功率50%），中國2個（成功率100%），歐洲1個（成功），印度1個（部分成功），整體成功率大約為50%。21世紀(jì)發(fā)射的月球探測器幾乎全部成功。21世紀(jì)的月球探測熱潮與冷戰(zhàn)時期的月球探測熱潮有明顯的不同，除了驅(qū)動力由冷戰(zhàn)時期主要滿足政治和科學(xué)需要，改變?yōu)榘芽茖W(xué)探索和經(jīng)濟(jì)利益相結(jié)合，以探測月球資源為主之外，格局上也打破了20世紀(jì)只有美蘇兩個國家對月球探測的壟斷局面，歐洲、日本、中國和印度等國家或組織都紛紛進(jìn)行了月球探測，可以預(yù)見還將有越來越多的國家參與，且有望像國際空間站一樣，逐漸轉(zhuǎn)變成以國際合作方式為主，舉全球之力共同開發(fā)未來月球資源的世界行為。

月球探測分為探、登、駐三大階段，在完成了“探”，即無人探測之后，中國的下一步遠(yuǎn)景將是載人登月。在實(shí)現(xiàn)了載人地月往返之后，最終的目標(biāo)將是短期駐扎，并希望開展月表研究、勘探及開采工作。

目前，我們走在第一個大點(diǎn)的，第二個小點(diǎn)里。18世紀(jì)德國哲學(xué)家康德所說：“在這個世界上，唯有兩樣?xùn)|西能夠深深地震撼人的心靈：我們內(nèi)心崇高的道德準(zhǔn)則，我們頭頂燦爛的星空?！蔽磥磉€很長，仰望星空，腳踏實(shí)地。

責(zé)任編輯：武瑾媛