于登云，吳學(xué)英，吳偉仁

（1.中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048；2.探月與航天工程中心，北京 100037；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

我國探月工程技術(shù)發(fā)展綜述

于登云1，吳學(xué)英3，吳偉仁2

（1.中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048；2.探月與航天工程中心，北京 100037；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

我國的探月工程，在2020年前分“繞、落、回”三步實(shí)施。本文以我國探月工程各次任務(wù)為脈絡(luò)，針對目前已經(jīng)完成的“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”“嫦娥3號(hào)”及“嫦娥5號(hào)”高速再入試驗(yàn)任務(wù)，簡述了工程和科學(xué)目標(biāo)，介紹了實(shí)施效果，總結(jié)了主要技術(shù)成就。在此基礎(chǔ)上，展望了探月工程未來的發(fā)展趨勢，給出了月球后續(xù)任務(wù)的總體思路和框架。

探月工程；技術(shù)成就；展望

0 引 言

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，也是人類迄今為止探測最多的地外星球。20世紀(jì)90年代，我國已經(jīng)開始進(jìn)行月球探測工程的先期研究。我國的探月工程，在2020年前分“繞、落、回”三步實(shí)施，所謂“三步走”戰(zhàn)略。我國第一個(gè)月球探測器“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星于2007年10月成功環(huán)月探測，圓滿實(shí)現(xiàn)了探月工程一期“繞”的目標(biāo)；2010年10月，“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星作為探月工程二期任務(wù)的先導(dǎo)星，成功完成了環(huán)月的先導(dǎo)探測，并完美地完成了多階段拓展任務(wù)，通過一次發(fā)射任務(wù)完成了月球、日地拉格朗日L2點(diǎn)、圖塔蒂斯小行星的多目標(biāo)探測；2013年12月14日，“嫦娥3號(hào)”探測器成功著陸月球虹灣地區(qū)，12月15日，“玉兔號(hào)”月球車與著陸器順利分離，其行走的車轍印在了月球表面?！版隙?號(hào)”任務(wù)圓滿成功，首次實(shí)現(xiàn)了我國航天器在地外天體軟著陸和巡視勘察，標(biāo)志著我國探月工程第二步戰(zhàn)略目標(biāo)的全面實(shí)現(xiàn)。2014年11月1日，“嫦娥5號(hào)”高速再入試驗(yàn)任務(wù)的返回器在內(nèi)蒙古四子王旗地區(qū)順利著陸，標(biāo)志著我國月球探測領(lǐng)域技術(shù)的又一次重大進(jìn)步。根據(jù)目前計(jì)劃，“嫦娥5號(hào)”月球采樣返回器將在2017年左右發(fā)射，從而圓滿實(shí)現(xiàn)我國月球探測工程的三步走目標(biāo)。

本文以我國探月工程各次任務(wù)為脈絡(luò)，簡述了工程和科學(xué)目標(biāo)、介紹了實(shí)施效果，總結(jié)了主要技術(shù)成就。在此基礎(chǔ)上，展望了探月工程未來的發(fā)展趨勢，給出了月球后續(xù)任務(wù)的總體思路和框架。

1 “嫦娥1號(hào)”任務(wù)

1.1 任務(wù)概述

2004年1月23日，探月工程一期正式獲批立項(xiàng)，揭開了我國開展月球及深空探測活動(dòng)的序幕。經(jīng)過3年多的研制，2007年10月24日，我國發(fā)射了第一個(gè)月球探測器——“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了繼人造地球衛(wèi)星、載人航天之后我國航天活動(dòng)的第三個(gè)里程碑，初步構(gòu)建了完整的工程體系，使我國跨入世界上具有深空探測能力的國家行列[1]。

“嫦娥1號(hào)”任務(wù)的工程目標(biāo)是：研制和發(fā)射我國第一顆月球探測衛(wèi)星；初步掌握繞月探測基本技術(shù)；首次開展月球科學(xué)探測；初步構(gòu)建月球探測航天工程系統(tǒng)；為月球探測后續(xù)工程積累經(jīng)驗(yàn)。

“嫦娥1號(hào)”任務(wù)開展4類科學(xué)探測：獲取月球表面三維影像；分析月球表面元素含量和物質(zhì)類型的分布特點(diǎn)；探測月壤特性；探測地月空間環(huán)境。

10月24日，“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星由“長征3號(hào)甲”運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，11月5日，衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入了環(huán)月軌道。11月26日，第一張?jiān)旅鎴D片正式對外發(fā)布（如圖 1所示），這是當(dāng)時(shí)世界上已公布的最為清晰、完整的月球影像圖。“嫦娥1號(hào)”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了“準(zhǔn)時(shí)發(fā)射、準(zhǔn)確入軌、精密測控、精確變軌、成功繞月、取得成果”的預(yù)定目標(biāo)，“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星傳回大量月球科學(xué)探測數(shù)據(jù)，工程取得了圓滿成功。

圖1 “嫦娥1號(hào)”拍攝的全月影像圖Fig.1 The lunar photo by the Chang’e-1

1.2 主要成就

首次探月工程的圓滿完成，使我國跨入了世界上為數(shù)不多的具有深空探測能力的國家行列，這是我國綜合國力顯著增強(qiáng)、自主創(chuàng)新能力和科技水平不斷提高的重要體現(xiàn)，對于提高我國國際地位，增強(qiáng)民族凝聚力，具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

“嫦娥1號(hào)”任務(wù)在以下9個(gè)方面取得了重大技術(shù)創(chuàng)新：

1）總體集成技術(shù)

綜合衛(wèi)星工程、火箭工程、測控通信、月球科學(xué)、系統(tǒng)工程等多學(xué)科技術(shù)，進(jìn)行大系統(tǒng)頂層優(yōu)化，兼顧繼承和創(chuàng)新，結(jié)合對國際月球探測和深空探測發(fā)展趨勢和技術(shù)的研究，高起點(diǎn)地確定了工程總體方案，獲得了工程大系統(tǒng)的整體功能和整體最優(yōu)。

2）軌道設(shè)計(jì)技術(shù)

針對地月相對位置、測控要求、運(yùn)載發(fā)射條件、燃料攜帶量、月影分布、月食時(shí)機(jī)等一系列約束條件，首創(chuàng)了包括調(diào)相軌道、最小能量地月轉(zhuǎn)移軌道和多次制動(dòng)的月球捕獲軌道的軌道設(shè)計(jì)方案，確保了任務(wù)可靠性和工程實(shí)施的可行性。

3）環(huán)境適應(yīng)和能源技術(shù)

國內(nèi)首次創(chuàng)立了月球表面溫度場分布模型和采用了變紅外星球外熱流分析技術(shù)，完成了月球環(huán)境的外熱流分析；創(chuàng)新進(jìn)行了衛(wèi)星等溫化設(shè)計(jì)技術(shù)和高適應(yīng)能力的智能主動(dòng)控溫技術(shù)，滿足了“嫦娥”衛(wèi)星的繞地飛行、奔月飛行、繞月飛行、月食等全過程熱設(shè)計(jì)需求，創(chuàng)造性地完成了適應(yīng)地、月軌道衛(wèi)星的熱控設(shè)計(jì)?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星的熱控系統(tǒng)是當(dāng)時(shí)國內(nèi)同類飛行器中最復(fù)雜的，它實(shí)現(xiàn)了在軌溫度的精確控制。采用氫鎳蓄電池組設(shè)計(jì)技術(shù)、多母線/多域統(tǒng)一控制技術(shù)、多模式智能化電源控制技術(shù)、多級可轉(zhuǎn)換全調(diào)節(jié)開關(guān)分流技術(shù)等，成功滿足了高軌（奔月軌道）、低軌（環(huán)月軌道）對能源的需求。

4）飛行控制技術(shù)

通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、原始和集成創(chuàng)新，建立了我國首個(gè)適應(yīng)深空探測衛(wèi)星的高精度、高可靠、高自主、高速度GNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新研制了紫外月球敏感器、雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、星敏感器、加速度計(jì)等國內(nèi)領(lǐng)先的高性能產(chǎn)品，國內(nèi)首次突破了多敏感器信息組合定姿、三體指向自主控制、高精度高可靠自主軌道控制、更高性能自主故障診斷與隔離和系統(tǒng)容錯(cuò)與重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。以接近理想的狀態(tài)一次完成了各項(xiàng)姿態(tài)、軌道機(jī)動(dòng)和繞月飛行控制，軌道控制精度達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

通過構(gòu)建地月轉(zhuǎn)移軌道控制模型，優(yōu)化軌道計(jì)算方法，精確標(biāo)定控制參數(shù)等技術(shù)，突破了基于最小燃料消耗和時(shí)間優(yōu)化的軌道重構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)控制策略。創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了大時(shí)延動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)了大時(shí)延低碼速率精確發(fā)令及比判，使上行控制精度達(dá)到了毫秒量級；設(shè)計(jì)了多模態(tài)遙測條件下指令比判的數(shù)據(jù)優(yōu)選原則及分級判斷方法，提高了指令執(zhí)行比判的實(shí)時(shí)性；首次計(jì)算分析了月食期間衛(wèi)星進(jìn)出陰影的情況，提出了衛(wèi)星相位調(diào)整的控制方案，使月食期間衛(wèi)星在陰影區(qū)的時(shí)間最短，為衛(wèi)星安全度過月食期提供了保障；突破了月球引力場不規(guī)則條件下的軌道維持技術(shù)，設(shè)計(jì)了滿足衛(wèi)星月面星下點(diǎn)軌跡及軌道高度約束的軌道維持方案。

5）遠(yuǎn)距離測控通信技術(shù)

在我國缺乏深空測控設(shè)施的條件下，立足國內(nèi)現(xiàn)有測控資源，堅(jiān)持系統(tǒng)協(xié)作，星地協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了我國首個(gè)深空探測測控?cái)?shù)傳星載系統(tǒng)和地面收發(fā)分離的“USB（S頻段微波統(tǒng)一系統(tǒng)）+ 18 m單收天線”組合系統(tǒng)，通過增大星上發(fā)射功率、采用信道編解碼技術(shù)、增大地面接收能力等手段，以最少的經(jīng)濟(jì)投入和較短的時(shí)間周期，解決了40萬 km的遠(yuǎn)距離測控問題；研制出應(yīng)用于深空探測任務(wù)的大角度機(jī)械掃描天線，保證了科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了我國地月距離的可靠測控?cái)?shù)傳。

6）高精度測定軌技術(shù)

堅(jiān)持多學(xué)科集成、多部門協(xié)作，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，在我國現(xiàn)有航天測控網(wǎng)（USB系統(tǒng)）與射電天文觀測網(wǎng)（VLBI系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，通過集成創(chuàng)新，建立了USB-VLBI綜合測定軌系統(tǒng)，解決了我國“嫦娥1號(hào)”任務(wù)中關(guān)鍵的測定軌問題。采用先進(jìn)的窄帶測量技術(shù)改造USB測控設(shè)備，使測距測速精度較原有指標(biāo)顯著提高，達(dá)到了目前國際同類設(shè)備先進(jìn)水平；在VLBI中采用快速相關(guān)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軌道測量的準(zhǔn)實(shí)時(shí)工作，突破了射電天文原有的事后處理工作模式，適應(yīng)了實(shí)時(shí)任務(wù)的需要。通過高精度USB測距測速和VLBI測角相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了“嫦娥1號(hào)”任務(wù)衛(wèi)星軌道的高精度測量。

首次建立了我國月球軌道的動(dòng)力學(xué)模型，突破了USB與VLBI數(shù)據(jù)融合定軌、月球捕獲短弧快速定軌和衛(wèi)星動(dòng)量輪卸載軌道修正等技術(shù)，形成了我國”嫦娥1號(hào)”任務(wù)的測定軌理論方法體系，實(shí)現(xiàn)了月球衛(wèi)星精密定軌。

7）火箭可靠性增長技術(shù)

控制系統(tǒng)采用了平臺(tái)－激光慣組主從冗余、速率陀螺冗余和故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制自主切換，提高了控制系統(tǒng)的飛行可靠性。

對氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了渦輪泵端面密封性能、液氧系統(tǒng)抗多余物能力、加載彈簧性能、減壓閥對飛行環(huán)境的適應(yīng)能力等方面的技術(shù)改進(jìn)，提高了產(chǎn)品可靠性。

對輸送增壓系統(tǒng)進(jìn)行了增壓單向活門、冷氦電磁閥、冷氦減壓器、冷氦壓調(diào)器、耗氣組件等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)改進(jìn)，降低了出現(xiàn)單點(diǎn)失效故障模式的機(jī)率。

對地面發(fā)射支持系統(tǒng)進(jìn)行了氫、氧加排自動(dòng)脫落連接器低溫二次對接、Ⅲ-2常溫連接器脫落等項(xiàng)目的技術(shù)改進(jìn)，有效提高了火箭發(fā)射可靠性。

8）高可靠發(fā)射技術(shù)

根據(jù)任務(wù)要求，對發(fā)射工位及相關(guān)設(shè)施進(jìn)行了全面升級改造，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射場遠(yuǎn)距離測試發(fā)射，達(dá)到高可靠發(fā)射場建設(shè)要求，確保了準(zhǔn)時(shí)發(fā)射；擺桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首次采用了閥芯反饋檢測和系統(tǒng)冗余熱備份技術(shù)；吊裝設(shè)備采用了變頻數(shù)字檢測技術(shù)，建立了精確定位模型；另外，還采用了地勤環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)、信息快速處理技術(shù)、供電可靠性增長技術(shù)，全面提升了設(shè)施設(shè)備的綜合可靠性。選擇了樁基礎(chǔ)建設(shè)方案，解決了新塔結(jié)構(gòu)體系難題，在我國首次實(shí)現(xiàn)了原址翻建發(fā)射工位；采用光纖中繼代替微波無線中繼傳送寬帶射頻信號(hào)技術(shù)，滿足了衛(wèi)星RF信號(hào)傳輸要求；首次研制了可伸縮的回轉(zhuǎn)小吊車，優(yōu)化了衛(wèi)星/整流罩分體吊裝對接流程；首次使用焊接式真空連接低溫管路、多層絕熱遠(yuǎn)控低溫截止閥等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低溫系統(tǒng)性能的整體提升。

9）月球科學(xué)探測、數(shù)據(jù)接收與研究技術(shù)

衛(wèi)星上所配置的8種科學(xué)探測儀器所能完成的科學(xué)目標(biāo)和探測任務(wù)與國際主流一致，且具有一定的特色。在國際上首次利用微波探測儀對月壤進(jìn)行探測。

首次研制出國內(nèi)口徑最大的50 m和40 m天線接收系統(tǒng)，攻克了距離40萬 km以上數(shù)據(jù)接收的關(guān)鍵技術(shù)；國內(nèi)首次攻克并建立了8種有效載荷探測數(shù)據(jù)的處理方法、流程和反演模型；國內(nèi)首次建立了月球探測數(shù)據(jù)規(guī)范；集成研制出國內(nèi)唯一可適用于月球科學(xué)探測衛(wèi)星的集有效載荷在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行管理和探測數(shù)據(jù)接收與處理、融合與拼接、應(yīng)用與研究等功能于一體的技術(shù)支撐系統(tǒng)。

2 “嫦娥2號(hào)”任務(wù)

2.1 任務(wù)概述

2008年，按照既定的“三步走”戰(zhàn)略，探月工程二期立項(xiàng)并進(jìn)入工程實(shí)施階段，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在月面軟著陸，開展月面就位探測與巡視勘察。二期工程包括“嫦娥2號(hào)”和“嫦娥3號(hào)”兩次任務(wù)，其中，“嫦娥2號(hào)”為工程先導(dǎo)星，開展部分關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，包括直接奔月軌道、X頻段測控、預(yù)選著陸區(qū)詳察等，為“嫦娥3號(hào)”任務(wù)開展部分技術(shù)進(jìn)行先期驗(yàn)證，同時(shí)深化月球科學(xué)探測，提高探測精度。

“嫦娥2號(hào)”任務(wù)的工程目標(biāo)是：驗(yàn)證運(yùn)載火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù)；試驗(yàn)X頻段深空測控技術(shù)，初步驗(yàn)證深空測控體制；驗(yàn)證100 km月球軌道捕獲技術(shù)和環(huán)月飛行技術(shù)；驗(yàn)證100 km× 15 km軌道機(jī)動(dòng)與快速測定軌技術(shù)；試驗(yàn)低密度校驗(yàn)碼（LDPC）遙測信道編譯碼、高速數(shù)據(jù)傳輸、降落相機(jī)等技術(shù)；對“嫦娥3號(hào)”任務(wù)預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像試驗(yàn)，定量評估預(yù)選著陸區(qū)的地表特性，提高“嫦娥3號(hào)”任務(wù)著陸安全性。

“嫦娥2號(hào)”任務(wù)開展4類科學(xué)探測：獲取高精度月球表面三維影像；探測月球物質(zhì)成分；探測月壤特性；探測地月與近月空間環(huán)境。

2010年10月1日，“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星由“長征3號(hào)丙”運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。10月6日，衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入了環(huán)月軌道。11月8日，工程第一張高分辨率虹灣局部影像圖正式對外發(fā)布，“嫦娥2號(hào)”工程取得了圓滿成功。

2.2 主要成就

“嫦娥2號(hào)”工程的成功實(shí)施，突破了一批核心和關(guān)鍵技術(shù)、取得了一系列重大科技創(chuàng)新成果，帶動(dòng)了我國空間技術(shù)、空間科學(xué)和空間應(yīng)用的發(fā)展；進(jìn)一步形成和積累了我國特色重大科技工程管理方式和經(jīng)驗(yàn)；培養(yǎng)造就了高素質(zhì)科技人才和管理人才隊(duì)伍；檢驗(yàn)了我國進(jìn)入深空的能力，對深入開展深空探測活動(dòng)、推進(jìn)我國航天事業(yè)、建設(shè)先進(jìn)國防科技工業(yè)具有重大意義。

“嫦娥2號(hào)”工程在以下7個(gè)方面取得了重大技術(shù)創(chuàng)新：

1）突破直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射和飛行技術(shù)

針對后續(xù)探月工程直接發(fā)射入軌精度要求高、發(fā)射窗口窄等難點(diǎn)，突破了多窗口滑行時(shí)間可變、高可靠零窗口發(fā)射和直接奔月軌道設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)?；鸺胲壘冗_(dá)到國際先進(jìn)水平。

2）首次成功實(shí)現(xiàn)100 km×100 km和100 km×15 km環(huán)月飛行

針對月球不均勻重力場及高起伏地形環(huán)境，突破月球擬凍結(jié)軌道設(shè)計(jì)、衛(wèi)星自主慣性對準(zhǔn)、機(jī)動(dòng)軌道拼接等關(guān)鍵技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了月球背面大推力發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火變軌、距月面15 km近月探測。衛(wèi)星軌道控制精度、軌道機(jī)動(dòng)可靠性達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

3）突破近月點(diǎn)15 km軌道短弧段、快速測定軌關(guān)鍵技術(shù)，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的月球重力場模型

解決了測控?cái)?shù)據(jù)融合、傳播介質(zhì)誤差修正模型優(yōu)化等高精度測量技術(shù)難題，并在國際上首次利用VLBI技術(shù)在30 min內(nèi)獲取精度優(yōu)于1 mm/s、100 m的橫向速度與位置信息，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星關(guān)鍵飛行弧段的快速、準(zhǔn)確測定軌，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。通過高精度測定軌反演，建立了我國100階月球重力場模型，優(yōu)于國際精度最高的日本模型。

4）國際上首次獲得7 m分辨率全月球立體影像，并獲得優(yōu)于1.5 m的預(yù)選著陸區(qū)高分辨率立體影像

針對月球表面后向反射強(qiáng)、光照強(qiáng)度變化大、軌道預(yù)報(bào)精度要求高等難點(diǎn)，在國際月球探測中首次采用時(shí)間延時(shí)積分（TDI）成像技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了由地面行頻數(shù)據(jù)注入和測高數(shù)據(jù)輔助兩種速高比補(bǔ)償成像方法，獲取的全月球影像圖分辨率和覆蓋率達(dá)到國際領(lǐng)先水平，預(yù)選著陸區(qū)局部影像圖分辨率達(dá)到國際先進(jìn)水平。

5）首次驗(yàn)證X頻段深空測控體制和相關(guān)技術(shù)

突破了S/X雙頻段地面測控設(shè)備和X頻段數(shù)字化應(yīng)答機(jī)研制、基于差分單向測距（DOR）音的干涉測量信號(hào)處理等難題，首次實(shí)現(xiàn)了X頻段高精度測速測距（1 mm/s，1 m）、7.812 5 bps極低碼速率遙控。標(biāo)志著我國航天測控由S頻段向X頻段深空測控體制的技術(shù)跨越，進(jìn)入了國際先進(jìn)水平行列，為后續(xù)探月工程和火星等行星際探測奠定了基礎(chǔ)。

6）首次實(shí)現(xiàn)地月空間飛行過程監(jiān)視成像和低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）遙測信道編譯碼

突破了高動(dòng)態(tài)范圍成像、多目標(biāo)曝光策略選擇、真實(shí)色彩還原等難點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取了太陽翼展開、天線展開/轉(zhuǎn)動(dòng)、主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)圖像，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，為后續(xù)探測器設(shè)計(jì)優(yōu)化、重要飛行事件判斷提供了可視化手段。首次在航天工程中實(shí)現(xiàn)LDPC編譯碼，主要指標(biāo)優(yōu)于國際（CCSDS）標(biāo)準(zhǔn)，提高了我國在國際深空信道編譯碼領(lǐng)域的地位和話語權(quán)。

7）在國際上首次實(shí)現(xiàn)從月球軌道飛向日地拉格朗日L2點(diǎn)的拓展試驗(yàn)

在地、月、星及日、地、星雙重三體環(huán)境下，突破從月球飛往拉格朗日L2點(diǎn)的軌道設(shè)計(jì)和飛行控制、8 000萬 km遠(yuǎn)距離測控與通信等關(guān)鍵技術(shù)。開展對地球遠(yuǎn)磁尾三維離子能譜、太陽耀斑爆發(fā)和宇宙伽馬爆的科學(xué)探測。以月球?yàn)橹修D(zhuǎn)，首次完成了月球軌道精細(xì)探測、拉格朗日L2點(diǎn)環(huán)繞探測和圖塔蒂斯小行星飛越探測（如圖 2所示）等多目標(biāo)和多任務(wù)探測。實(shí)現(xiàn)了我國航天飛行從40萬 km到8 000萬 km的跨越。

圖2 “嫦娥2號(hào)”拍攝的小行星圖塔蒂斯Fig.2 The Toutatis photo by the Chang’e-2

3 “嫦娥3號(hào)”任務(wù)

3.1 任務(wù)概述

“嫦娥3號(hào)”任務(wù)的工程目標(biāo)是：突破月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運(yùn)載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)，提升航天技術(shù)水平；研制月球軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站，獲得包括運(yùn)載火箭、月球探測器、發(fā)射場、深空測控通信、地面應(yīng)用等在內(nèi)的功能模塊，具備月球軟著陸探測的基本能力；建立月球探測航天工程基本體系，形成重大項(xiàng)目實(shí)施的科學(xué)有效的工程方法。

“嫦娥3號(hào)”任務(wù)開展3類科學(xué)探測：月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查；月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查；日地月空間環(huán)境探測和月基光學(xué)天文觀測。

2013年12月2日，“嫦娥3號(hào)”探測器由“長征3號(hào)乙”運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心準(zhǔn)時(shí)發(fā)射。探測器精確入軌、成功環(huán)月，12月14日“嫦娥3號(hào)”探測器安全著陸于虹灣預(yù)選著陸區(qū)，12月15日巡視器和著陸器可靠分離并完成互拍（如圖 3、4所示），首次實(shí)現(xiàn)了我國航天器地外天體軟著陸與巡視勘察，開展了“測月、巡天、觀地”等探測，獲得了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，工程取得圓滿成功。

圖3 “嫦娥3號(hào)”著陸器月面工作圖Fig.3 The lander of the Chang’e-3 on the lunar surface

圖4 “嫦娥3號(hào)”巡視器月面工作圖Fig.4 The rover of the Chang’e-3 on the lunar surface

“嫦娥3號(hào)”工程的成功實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了我國航天的多個(gè)“第一”：實(shí)現(xiàn)了地外天體軟著陸；實(shí)現(xiàn)了地外天體巡視勘察；在航天器上采用放射性同位素?zé)嵩春蛢上嗔黧w回路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了探測器在極低溫度環(huán)境下生存；試驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)載火箭低溫加注后連接器不脫落推遲24 h發(fā)射的能力；研制了我國大型深空站，初步建成覆蓋行星際航行的深空測控通信網(wǎng)；實(shí)現(xiàn)了在月面同時(shí)開展就位與巡視綜合科學(xué)探測；形成了一批先進(jìn)的月球探測試驗(yàn)方法和特種試驗(yàn)設(shè)施。這些成績的取得，為后續(xù)月球及深空探測奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“嫦娥3號(hào)”任務(wù)的成功實(shí)施使我國成為繼蘇聯(lián)、美國之后第3個(gè)實(shí)施月球軟著陸的國家。其中，蘇聯(lián)為實(shí)現(xiàn)月球軟著陸在經(jīng)歷了11次著陸失敗后，才成功實(shí)現(xiàn)了“月球9號(hào)”的首次月面半軟著陸。美國則經(jīng)歷2次著陸失敗后，才成功實(shí)施了“勘察者1號(hào)”軟著陸。“嫦娥3號(hào)”作為我國首個(gè)月球軟著陸探測器，在世界探月史上，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了著陸器就位探測和巡視器月面巡視勘察。

3.2 主要成就

“嫦娥3號(hào)”工程是我國航天領(lǐng)域迄今技術(shù)挑戰(zhàn)最大、工程風(fēng)險(xiǎn)最高的空間活動(dòng)之一?！版隙?號(hào)”工程的圓滿成功，標(biāo)志著我國探月工程“繞、落、回”三步走的第二步戰(zhàn)略目標(biāo)全面實(shí)現(xiàn)，是我國航天事業(yè)發(fā)展又一新的里程碑。整個(gè)工程的實(shí)施，以較小的經(jīng)濟(jì)投入，僅用6年左右的時(shí)間，突破了多項(xiàng)月球與深空探測關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步完善了我國月球探測工程體系，實(shí)現(xiàn)了我國航天技術(shù)發(fā)展和空間科學(xué)研究的重大跨越，使我國跨入了國際月球探測領(lǐng)域的先進(jìn)行列，社會(huì)效益顯著，并具有廣泛的經(jīng)濟(jì)和軍事潛在效益。

“嫦娥3號(hào)”工程在以下7個(gè)方面取得了重大技術(shù)創(chuàng)新：

1）首次實(shí)現(xiàn)全自主避障的月球軟著陸

突破了總體設(shè)計(jì)、月面著陸、兩器分離、月夜生存等關(guān)鍵技術(shù)；提出了路徑優(yōu)、燃料省、誤差小、避障能力強(qiáng)的全自主軟著陸控制方法；發(fā)明了高效吸能的“四腿式”著陸緩沖機(jī)構(gòu)；研制了高比沖大推力連續(xù)可調(diào)的主發(fā)動(dòng)機(jī)、重量輕無晃動(dòng)的新型金屬膜片貯箱推進(jìn)控制系統(tǒng)[2]。

2）首次實(shí)現(xiàn)我國航天器在地外天體巡視探測

提出了六輪搖臂懸架、機(jī)構(gòu)功能復(fù)用的全新巡視器構(gòu)形方案，突破了非規(guī)劃環(huán)境下的月面巡視導(dǎo)航、月面移動(dòng)、遙操作等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了我國首個(gè)月面集自主導(dǎo)航、巡視探測、科學(xué)分析于一體的巡視器。

3）提出了同位素?zé)嵩唇Y(jié)合低重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路技術(shù)的月夜生存和光照自主喚醒方案

突破了低重力驅(qū)動(dòng)兩相流體回路和涉核產(chǎn)品在嚴(yán)酷條件下的測試、試驗(yàn)、驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱能自主可控傳輸、儀器設(shè)備在極低溫環(huán)境下的月夜生存和自主感知太陽光照的可靠喚醒。

4）突破了我國低溫推進(jìn)劑火箭多窗口、窄寬度發(fā)射技術(shù)和地月轉(zhuǎn)移軌道高精度入軌技術(shù)

解決了運(yùn)載火箭多窗口發(fā)射及低溫推進(jìn)劑加注后可推遲24 h發(fā)射等難題，增強(qiáng)了運(yùn)載火箭應(yīng)對復(fù)雜發(fā)射任務(wù)的適應(yīng)能力；采用雙激光慣組/衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)，使軌道半長軸偏差由萬公里級提高到百公里級。

5）首次成功研制了我國大型深空測控站，建成了可開展行星際空間活動(dòng)的深空測控通信網(wǎng)

突破了大口徑高效率天線（如圖 5所示）、超低溫制冷接收機(jī)、高精度高穩(wěn)定度氫原子鐘、多頻段大功率發(fā)射機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了35 m、66 m口徑深空測控站和65 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡；突破了三向測量、差分單向測距、同波束干涉測量等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度、快速測定軌和月面定位。測距誤差達(dá)米級，測速誤差達(dá)毫米/秒級，月面相對定位誤差達(dá)厘米級。

6）首次實(shí)現(xiàn)我國月面就位和巡視探測，同時(shí)完成“測月、巡天、觀地”

圖5 深空站測控天線Fig.5 The antenna of deep space station

首次進(jìn)行月基光學(xué)天文觀測，獲得了天體光變曲線和巡天觀測圖像；首次在月面上進(jìn)行對地球空間等離子體層的極紫外定點(diǎn)、大視域成像，獲取了磁暴發(fā)生后等離子體再填充的寶貴原始數(shù)據(jù)；首次獲得了月殼淺層結(jié)構(gòu)和月壤厚度、著陸區(qū)域精細(xì)地形地貌、著陸點(diǎn)附近元素和物質(zhì)成分，為月球區(qū)域構(gòu)造動(dòng)力學(xué)的研究提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

7）首次研制了一系列高水平特種試驗(yàn)設(shè)施，形成了一系列先進(jìn)試驗(yàn)方法、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

突破了著陸沖擊、懸停避障、巡視器自主導(dǎo)航等試驗(yàn)驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了月面著陸懸停避障/沖擊/導(dǎo)航控制試驗(yàn)場、巡視器內(nèi)場和外場、2萬 N發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車臺(tái)等大型、特種試驗(yàn)設(shè)施，形成了懸停自主避障、著陸緩沖和可靠性安全性設(shè)計(jì)等一系列先進(jìn)試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)規(guī)范與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。不僅有效支撐了工程的順利實(shí)施，而且為后續(xù)月球與深空探測任務(wù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)[3]。

4 “嫦娥5號(hào)”高速再入試驗(yàn)任務(wù)

4.1 任務(wù)概述

2009年，在開展我國探月二期工程實(shí)施的同時(shí)，為有機(jī)銜接探月工程一、二期，兼顧未來載人登月和深空探測發(fā)展，我國正式啟動(dòng)了探月三期工程，即“嫦娥5號(hào)”任務(wù)的方案論證和預(yù)先研究。三期工程于2011年正式立項(xiàng)，任務(wù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月面無人采樣返回，計(jì)劃于2017年擇機(jī)發(fā)射。為了降低工程風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)劃了月地高速再入返回任務(wù)用于驗(yàn)證半彈道跳躍式再入的關(guān)鍵技術(shù)。

月地高速再入返回任務(wù)的工程目標(biāo)是：驗(yàn)證返回器氣動(dòng)與熱防護(hù)、再入GNC、輕小型回收等關(guān)鍵技術(shù)，確保返回器技術(shù)方案的可行性和正確性，為探月三期正式任務(wù)的順利實(shí)施打下基礎(chǔ)。

2014年10月24日，月地高速再入返回飛行器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征3號(hào)丙”運(yùn)載火箭發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入近地點(diǎn)高度為209 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度41.3萬 km的地月轉(zhuǎn)移軌道。10月28日，月地高速再入返回飛行器完成月球近旁轉(zhuǎn)向飛行，離開月球引力影響球，進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道。11 月1 日，月地高速再入返回飛行器在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域順利著陸，任務(wù)獲得圓滿成功。

4.2 技術(shù)成就

探月三期月地高速再入返回任務(wù)設(shè)計(jì)約束條件多、任務(wù)模式多、技術(shù)難度大、復(fù)雜程度高、新研產(chǎn)品多，此次任務(wù)的圓滿成功，表明我國已經(jīng)全面突破和掌握了高速再入返回技術(shù)，為探月三期“嫦娥5號(hào)”任務(wù)的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。研制過程中取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新科研成果，這些成果可用于載人登月和行星際探測任務(wù)，有力地促進(jìn)了深空探測領(lǐng)域航天技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)了其他相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了我國科技自主創(chuàng)新能力的提升[4]。

探月三期月地高速再入返回任務(wù)在以下6個(gè)方面取得了重大技術(shù)創(chuàng)新：

1）構(gòu)建了月地高速再入返回工程體系，實(shí)現(xiàn)了國際上最高精度的第二宇宙速度安全返回；

2）構(gòu)建了雙平臺(tái)飛行器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了國際上首次月地多次往返和多目標(biāo)探測；

3）建立了深空跳躍式高速再入返回跟蹤測量和搜索回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)最大速度、最長航程、最大范圍和精度最高的測控回收；

4）突破了高速再入返回氣動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，全面提升了我國對高空稀薄大氣與高速飛行器間的物理和化學(xué)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平；

5）突破了高速兩次再入大氣層熱防護(hù)技術(shù)，其中，燒蝕材料的密度處于國際領(lǐng)先水平；

6）突破了半彈道跳躍式再入返回自主制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國際上首次小升阻比返回器高精度返回。

5 后續(xù)展望

月球是距離地球最近的天體，以其獨(dú)特的空間位置、廣闊的科學(xué)探索前景，成為人類地外天體探測和資源利用的首選目標(biāo)。在我國已有探月工程的基礎(chǔ)上，實(shí)施月球探測后續(xù)任務(wù)，符合持續(xù)發(fā)展規(guī)律?？傮w上，后續(xù)任務(wù)應(yīng)以月球科學(xué)探測和月球資源利用為牽引，同時(shí)與深空探測技術(shù)驗(yàn)證相結(jié)合[5]。

月球后續(xù)任務(wù)將通過多種探測手段、多次任務(wù)實(shí)施，在科學(xué)上，開展月球背面及極區(qū)地質(zhì)特征和演化歷史研究，月面環(huán)境綜合效應(yīng)研究，以水冰為代表的月球資源詳查，進(jìn)行月基天文觀測與對地監(jiān)測；在工程上，突破全月面到達(dá)、高數(shù)據(jù)率地月通信、大區(qū)域智能機(jī)器人、全周期能源供給、先進(jìn)探測載荷等關(guān)鍵技術(shù)，形成全周期、復(fù)雜環(huán)境條件下的機(jī)器人月球探測能力，開展資源利用技術(shù)驗(yàn)證。為未來載人登月和月球科學(xué)考察站建設(shè)起到承前啟后、技術(shù)探索與驗(yàn)證的重要作用。

月球后續(xù)任務(wù)的第一步已經(jīng)明確，即“嫦娥4號(hào)”任務(wù)。計(jì)劃在2018年左右，實(shí)現(xiàn)人類首次軟著陸于月球背面并開展巡視探測。

“嫦娥4號(hào)”任務(wù)的工程目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察；實(shí)現(xiàn)首次地月拉格朗日L2點(diǎn)中繼星對地對月的測控、數(shù)傳中繼。

“嫦娥4號(hào)”任務(wù)將開展3類科學(xué)探測：低頻射電天文觀測與研究；著陸區(qū)地質(zhì)特征探測與研究；月球背面月表環(huán)境探測與研究。

著陸到月球背面進(jìn)行就位探測，一直是各國開展月球探測的重要目標(biāo)之一，但至今還沒有實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)主要的原因就是著陸到背面，面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。相比于著陸到月球正面，主要技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）復(fù)雜地形條件下的著陸

“嫦娥3號(hào)”任務(wù)的著陸區(qū)選擇在地勢較為平坦的虹灣地區(qū)；而月球背面地形地貌以高地為主，地勢相對崎嶇。為了保證著陸的安全，一方面需要通過優(yōu)化制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制策略，來提供對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力；另一方面，需要通過精細(xì)化的軌道設(shè)計(jì)與控制，縮小著陸點(diǎn)散布，以保證著陸的安全。

2）中繼通信

在月球背面，著陸器、巡視器無法直接同地球通信，必須采用衛(wèi)星中繼的方式。中繼衛(wèi)星的軌道選擇、中繼模式的選擇等對任務(wù)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)有很大影響，需要綜合優(yōu)化。同時(shí)，任務(wù)環(huán)節(jié)增加，使地面操作更加復(fù)雜，任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)增大。

3）RTG熱電綜合利用

為實(shí)現(xiàn)月夜采集月壤溫度的工程目標(biāo)，需要研制同位素溫差電源（RTG）提供月夜電能的供給。同時(shí)，RTG產(chǎn)生的衰變熱需要引入艙內(nèi)為設(shè)備提供熱源，以應(yīng)對月面上月夜的極低溫度環(huán)境。RTG的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、熱電綜合有效利用等技術(shù)，都是面臨的全新挑戰(zhàn)。

“嫦娥4號(hào)”探測器將研制著陸器、巡視器和中繼星，突破地月系L2平動(dòng)點(diǎn)軌道精確設(shè)計(jì)與控制、地-月-L2點(diǎn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)中繼、復(fù)雜地形環(huán)境條件下的高精度著陸、同位素溫差發(fā)電和月夜工作等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人類首次在月球背面軟著陸并開展探測活動(dòng)，深化和拓展我國月球探測技術(shù)，為月球后續(xù)任務(wù)可靠實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

我國已成功實(shí)施了“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”“嫦娥3號(hào)”“嫦娥5號(hào)”再入返回試驗(yàn)4次任務(wù)。這些任務(wù)的圓滿實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志我國已掌握了月球探測的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲得了大量科學(xué)成果，建立了較為完善的工程體系，具備了月球到達(dá)、月面著陸等基本能力?？傮w看，我國的探月工程起步晚但起點(diǎn)高，任務(wù)次數(shù)少但涵蓋內(nèi)容多，投入少但產(chǎn)出多[6]，整體能力快速發(fā)展，迅速躋身于國際月球探測先進(jìn)行列。

但也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，對于月球探測，我國在探測手段、探測深度和廣度，以及關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備方面，同世界航天強(qiáng)國相比還存在一定差距。結(jié)合國外發(fā)展趨勢和我國實(shí)際情況，我國月球探測后續(xù)任務(wù)應(yīng)以“常態(tài)化、規(guī)模適度”為基本發(fā)展原則，通過持續(xù)開展月球探測，不斷深化月球科學(xué)研究和新技術(shù)驗(yàn)證，逐步實(shí)現(xiàn)空間技術(shù)向空間科學(xué)和空間應(yīng)用拓展，為后續(xù)月球資源開發(fā)利用、行星際深空探測和載人登月奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]葉培建，黃江川，孫澤洲，等.中國月球探測器發(fā)展歷程和經(jīng)驗(yàn)初探[J].中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2014，44（6）：543-558.Ye P J，Huang J C，Sun Z Z，et al，The process and experience in the development of Chinese lunar probe[J].Sci Sin Tech，2014，44（6）：543-558.

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吳偉仁（1953- ），男，中國工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師，國防科工局探月與航天工程中心，中國探月工程總設(shè)計(jì)師。主要研究方向：航天測控通信與航天系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

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吳學(xué)英（1972- ），男，研究員，碩士生導(dǎo)師，“嫦娥4號(hào)”探測器總師助理。主要研究方向：航天器測控通信與總體設(shè)計(jì)技術(shù)。本文通訊作者。

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電話：（010）68746876

E-mail：wuxueying@sohu.com

Review of Technology Development for Chinese Lunar Exploration Program

YU Dengyun1，WU Xueying3，WU Weiren2
（1.China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100048，China；2.Lunar Exploration and Space Program Center，Beijing 100037，China；3.Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Before the year of 2020，the Chinese Lunar Exploration Program will be implemented in three steps of “Orbiting the Moon，Landing the Moon and Returning from the Moon”.This paper shows that the engineering and scientific goal，implementation result and the major technical achievement for the Chang’e-1，Chang’e-2，Chang’e-3 and Chang’e-5 Circumlunar Return and Reentry missions.After that，this paper gives the developing trends of Lunar Exploration Program and system ideas and framework of the future lunar missions.

Lunar Exploration Program；technical achievement；expectation

V41

A

2095-7777(2016)04-0307-8

10.15982/j.issn.2095-7717.2016.04.002

于登云，吳學(xué)英，吳偉仁.我國探月工程技術(shù)發(fā)展綜述[J].深空探測學(xué)報(bào)，2016，3（4）：307-314.

Reference format：Yu D Y，Wu X Y，Wu W R.Review of technology development for Chinese Lunar Exploration Program [J].Journal of Deep Space Exploration，2016，3（4）：307-314.

于登云（1961- ），男，研究員，博士生導(dǎo)師，中國航天科技集團(tuán)公司科技委副主任，中國探月工程副總設(shè)計(jì)師。主要研究方向：航天器動(dòng)力學(xué)與總體設(shè)計(jì)技術(shù)。

[責(zé)任編輯：宋宏]

2016-09-26；

2016-09-30