葉培建，于登云，孫澤洲，申振榮

（1.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；2.中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

中國月球探測(cè)器的成就與展望

葉培建1，于登云2，孫澤洲3，申振榮3

（1.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；2.中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

全面而簡(jiǎn)要地回顧了國內(nèi)外月球探測(cè)的發(fā)展歷程，介紹了中國月球探測(cè)器的工程研制和飛行任務(wù)實(shí)施情況，總結(jié)了中國月球探測(cè)器取得的技術(shù)成就和科學(xué)成果，展望了中國月球探測(cè)器的未來發(fā)展。

月球探測(cè)；月球探測(cè)器；技術(shù)成就；展望

0 引 言

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(cè)和資源利用的首選目標(biāo)。20世紀(jì)50—70年代中期，美國和蘇聯(lián)開展了一場(chǎng)以月球探測(cè)為中心的空間技術(shù)競(jìng)賽，形成了第1次探月高潮，分別實(shí)現(xiàn)了載人登月和無人月球采樣返回。從1994年持續(xù)至今的第2次探月高潮中，歐空局、日本、中國和印度等加入了月球探測(cè)行列，月球再次成為深空探測(cè)的熱點(diǎn)[1]。截至2016年，全球共實(shí)施月球探測(cè)任務(wù)114次。目前，有5個(gè)月球探測(cè)器處于工作運(yùn)行狀態(tài)，包括美國的月球勘察軌道器、空間環(huán)境探測(cè)器（雙星）和我國的“嫦娥3號(hào)”著陸器、“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器服務(wù)艙。

自古以來，中華民族對(duì)月球寄予了無限的遐思和美好的夢(mèng)想。2000年11月頒布的《中國的航天》白皮書，提出了我國“開展以月球探測(cè)為主的深空探測(cè)”的發(fā)展目標(biāo)。2006年2月頒布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020年），明確將“載人航天與探月工程”列入“16個(gè)重大專項(xiàng)”。2006年10月頒布的《中國的航天》白皮書，提出了“實(shí)現(xiàn)繞月探測(cè)，突破月球探測(cè)基本技術(shù)，研制和發(fā)射中國第一顆月球探測(cè)衛(wèi)星‘嫦娥1號(hào)’，主要進(jìn)行月球科學(xué)探測(cè)和月球資源的探測(cè)研究；開展月球探測(cè)工程的后期工作”的任務(wù)目標(biāo)。目前，我國已經(jīng)成功實(shí)施了“嫦娥1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)”月球探測(cè)任務(wù)及“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器任務(wù)，圓滿完成探月工程一期“繞”和二期“落”的任務(wù)，具備了月球到達(dá)、月面著陸的基本能力[2]。2017年，將擇機(jī)實(shí)施“嫦娥5號(hào)”任務(wù)，完成探月工程三期“回”的任務(wù)，具備月地返回的基本能力，最終全面實(shí)現(xiàn)探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略目標(biāo)。2018年，將擇機(jī)實(shí)施“嫦娥4號(hào)”任務(wù)，完成月球背面軟著陸、巡視以及地月拉格朗日L2點(diǎn)中繼通信任務(wù)，這將標(biāo)志著中國將持續(xù)開展月球探測(cè)，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。

2004年“嫦娥1號(hào)”任務(wù)進(jìn)入工程研制至今，經(jīng)過十多年的努力，中國探月工程四戰(zhàn)四捷，獲得了大量科學(xué)成果，航天各大系統(tǒng)掌握了月球探測(cè)的基本技術(shù)，建立了較為完善的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證和應(yīng)用體系，培養(yǎng)和鍛煉了一支思想過硬、技術(shù)精湛的人才隊(duì)伍，具備了月球探測(cè)之到達(dá)、著陸的基本能力。探測(cè)器系統(tǒng)作為探月工程的重要組成部分，在繼承我國近地衛(wèi)星已有成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)上，勇于創(chuàng)新、集智攻關(guān)，研制出了中國第一顆月球探測(cè)衛(wèi)星、第一個(gè)飛入行星際的探測(cè)器、第一個(gè)軟著陸在地外天體表面的航天器和第一輛將“足跡”刻在地外天體上的月球車、第一個(gè)以近第二宇宙速度高速再入返回地球的航天器，不僅豐富了我國航天器的種類，并且為我國邁向更遠(yuǎn)的深空奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 中國月球探測(cè)器概況

1.1 “嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星

“嫦娥1號(hào)”（如圖 1所示）是中國第一顆月球探測(cè)衛(wèi)星[3-4]，同時(shí)也是中國第一顆對(duì)地球以外天體進(jìn)行環(huán)繞遙感探測(cè)的航天器，樹立了我國航天事業(yè)發(fā)展史上繼人造地球衛(wèi)星、載人航天飛行之后的第三個(gè)里程碑?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量與干重比、載荷與干重比、能源系統(tǒng)和工作壽命等指標(biāo)都達(dá)到了國際同類水平，其表現(xiàn)出的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制的能力和精度、無深空大天線支持條件下遠(yuǎn)距離的測(cè)控精度、熱控能力等具有國際先進(jìn)水平?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約2 350 km；對(duì)月指向姿態(tài)控制精度優(yōu)于1°，姿態(tài)控制穩(wěn)定度優(yōu)于0.01°/s，對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率為3 Mbps。

2004年1月，“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)入工程研制。“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星的使命是走向一個(gè)我國的航天器從未到達(dá)過的領(lǐng)域并完成預(yù)定任務(wù)，工程研制面臨一系列挑戰(zhàn)和難題。研制隊(duì)伍充分利用我國應(yīng)用衛(wèi)星研制成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果，最大限度地采用經(jīng)過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的地球衛(wèi)星各分系統(tǒng)的硬件和軟件，對(duì)于繞月探測(cè)任務(wù)不同于地球衛(wèi)星、載人飛船的技術(shù)特點(diǎn)，如軌道、測(cè)控、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、溫度控制等，進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和技術(shù)攻關(guān)。提出了基于軌道調(diào)相、最小能量和多次制動(dòng)的軌道方案，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)移飛行復(fù)雜姿態(tài)軌道控制、地外天體捕獲制動(dòng)、地外天體探測(cè)中多天體指向控制的系統(tǒng)，研制了我國深空探測(cè)首個(gè)星載遠(yuǎn)距離測(cè)控通信系統(tǒng)，建立了國內(nèi)首個(gè)月球表面溫度場(chǎng)分布模型，突破了地球、月球和太陽等多天體引力影響下的軌道設(shè)計(jì)，適應(yīng)復(fù)雜變軌、高精度高自主三體指向控制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制，地月約40萬 km測(cè)控通信，太陽輻射、月面反射、月食、月影等各種復(fù)雜外熱流條件下熱控等關(guān)鍵技術(shù)。

2007年10月24日，“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由“長征3號(hào)甲”火箭成功發(fā)射。2009年3月1日，在完成全部預(yù)定任務(wù)后，“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星受控撞擊在月球的豐富海區(qū)域。首次探月工程的圓滿完成，使我國跨入世界上為數(shù)不多的具有深空探測(cè)能力的國家行列?！版隙?號(hào)”突破了至地外天體的飛行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了首次繞月飛行，獲取了以“首幅全月球影像圖”為代表的一系列科學(xué)探測(cè)成果，樹立了我國航天事業(yè)的第三個(gè)里程碑?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了我國航天器從環(huán)繞地球的軌道（距地約6萬 km）到環(huán)繞月球的軌道（距地約40萬 km）的跨越，標(biāo)志著中國的航天器具備了對(duì)地外天體進(jìn)行全球遙感探測(cè)的能力。

1.2 “嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星

“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星（如圖 2所示）是中國第一顆飛入行星際的探測(cè)器[5]，同時(shí)也是我國第一顆運(yùn)行在日地拉格朗日L2點(diǎn)開展空間探測(cè)的航天器?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約2 480 kg；對(duì)月指向姿態(tài)控制精度優(yōu)于1°，姿態(tài)控制穩(wěn)定度優(yōu)于0.005°/s，對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率為6 Mbps。

圖2 “嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星對(duì)月高分辨率成像示意圖Fig.2 Sketch of high resolution image facing to lunar surface of the Chang’e-2 probe

2008年10月，“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)入工程研制。研制隊(duì)伍針對(duì)“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星以“嫦娥1號(hào)”備份星為基礎(chǔ)的任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)平臺(tái)各分系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目開展攻關(guān)，突破了地月直接轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)、高靈敏度X頻段深空應(yīng)答機(jī)、地外空間高精度延時(shí)積分成像等關(guān)鍵技術(shù)。

2010年10月1日，“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由“長征3號(hào)丙”火箭成功發(fā)射。2011年4月，完成了預(yù)定的技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)探測(cè)任務(wù)。2011年8月，從繞月軌道出發(fā)至日地拉格朗日L2點(diǎn)附近并開展空間探測(cè)；2012年12月，從日地拉格朗日L2點(diǎn)轉(zhuǎn)移并飛越圖塔蒂斯（Toutatis）小行星。目前，成為太陽系的一顆人造小行星，運(yùn)行在日心軌道上?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星完成了深空X頻段測(cè)控體制、低密度奇偶校驗(yàn)編碼（LDPC）等技術(shù)在軌驗(yàn)證，獲取了以“7 m分辨率全月球影像”數(shù)據(jù)為代表的一大批科學(xué)成果，特別是通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了月球觀測(cè)、日地拉格朗日L2點(diǎn)空間探測(cè)、圖塔蒂斯小行星飛越探測(cè)，標(biāo)志著中國的航天器初步具備了開展深空多目標(biāo)、多任務(wù)探測(cè)的能力。

1.3 “嫦娥3號(hào)”探測(cè)器

“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器由著陸器（圖 3a）和巡視器（圖 3b，即“玉兔號(hào)”月球車）組成[6]，著陸器是中國第1個(gè)軟著陸在地外天體表面的航天器，巡視器是中國第1輛將“足跡”刻在地外天體上的月球車。截至2016年7月，“嫦娥3號(hào)”著陸器已在月面工作了33個(gè)晝夜，再次刷新了國際上探測(cè)器月面工作時(shí)間最長的紀(jì)錄。盡管“玉兔”后來不能行走，但她始終可以正常休眠和被喚醒，并帶病完成了不少科學(xué)任務(wù)。“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量約3 780 kg，著陸器干重約1 220 kg，著陸月面時(shí)三軸角速度控制誤差優(yōu)于1°/s，著陸精度優(yōu)于5 km；巡視器質(zhì)量約140 kg，適應(yīng)月面最大坡度20°，最大移動(dòng)速度200 m/h。

圖3 “嫦娥3號(hào)”著陸器和巡視器月面互拍圖Fig.3 Chang’e-3 lander and rover imaging each other on Moon

2008年3月，“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器進(jìn)入工程研制。著陸器和巡視器均為全新的航天器，新技術(shù)和新產(chǎn)品的比例高達(dá)80%。研制隊(duì)伍瞄準(zhǔn)當(dāng)今航天器技術(shù)發(fā)展水平，高起點(diǎn)地確定探測(cè)器的功能與性能指標(biāo)，按照任務(wù)剖面開展關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與地面仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，創(chuàng)新提出了路徑優(yōu)、燃料省、精度高的著陸全自主導(dǎo)航控制策略和基于多信息融合的自主接力障礙識(shí)別與避障算法，基于全運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制、離散激光點(diǎn)輔助雙目視覺探測(cè)避障算法和基于多源圖像信息融合的逐級(jí)遞進(jìn)式巡視遙操作系統(tǒng)；研制了大變比流量調(diào)節(jié)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)噴注的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，懸臂式著陸緩沖機(jī)構(gòu)和緩沖超塑性吸能新材料，適應(yīng)月面復(fù)雜地形和極端承載特性的六輪搖臂懸架式移動(dòng)裝置；在國際上首次提出并研制了基于同位素?zé)嵩吹牡椭亓︱?qū)動(dòng)兩相流體回路，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了綜合光照、溫度、能源和測(cè)控等多約束條件下的月夜全斷電休眠和月晝自主喚醒策略，突破了月球著陸器和巡視器總體設(shè)計(jì)，月面著陸自主導(dǎo)航與控制、復(fù)雜變推力推進(jìn)系統(tǒng)和大承載著陸緩沖，月面巡視自主導(dǎo)航控制與遙操作、月面移動(dòng)，月夜極低溫度環(huán)境生存和月晝光照自主喚醒等關(guān)鍵技術(shù)。

2013年12月2日，“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由“長征3號(hào)乙”火箭成功發(fā)射。12月14日，自主控制軟著陸在月球虹灣以東區(qū)域。12月15日，著陸器與巡視器成功進(jìn)行互拍。“嫦娥3號(hào)”任務(wù)圓滿成功，為我國航天事業(yè)發(fā)展樹立了新的里程碑，在人類攀登科技高峰征程中刷新了中國高度?！版隙?號(hào)”探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)了我國航天器在地外天體的軟著陸和巡視勘察，獲得了國際首幅月球地質(zhì)剖面圖、月球外逸層水含量、地球等離子體層邊界在磁層亞暴的影響下發(fā)生凸起等科學(xué)成果，標(biāo)志著中國的航天器具備了到達(dá)無大氣地外天體表面并開展就位探測(cè)的能力。

1.4 “嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器

“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器（如圖 4所示）由返回器和服務(wù)艙組成[7]，返回器是中國第一個(gè)以近第二宇宙速度高速再入返回地球的航天器，服務(wù)艙選擇“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)并進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了雙平臺(tái)飛行器系統(tǒng)。飛行試驗(yàn)器發(fā)射質(zhì)量約2 450 kg，返回器質(zhì)量約330 kg，再入速度約11 km/s。

2011年1月，“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器進(jìn)入工程研制。研制隊(duì)伍根據(jù)模擬“嫦娥5號(hào)”任務(wù)飛行過程和返回再入條件，驗(yàn)證與半彈道式返回再入的相關(guān)技術(shù)的任務(wù)要求，設(shè)計(jì)了適用于高速再入返回的氣動(dòng)外形，提出了基于數(shù)值模擬流場(chǎng)修正的氣動(dòng)輻射加熱算法模型，新建了高能脈沖風(fēng)洞、高焓膨脹管風(fēng)洞，超聲速電弧風(fēng)洞和跨超/高超聲速氣動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)；新研了低密度的大底大面積燒蝕材料，建立了碳硅復(fù)合材料在高焓兩次加熱環(huán)境下的燒蝕模型；提出了全系數(shù)自適應(yīng)雙環(huán)縱向與射向預(yù)偏置橫向制導(dǎo)方法、再入剖面在線實(shí)時(shí)規(guī)劃評(píng)估方法；突破了高速再入返回氣動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、高速兩次再入大氣層熱防護(hù)、半彈道跳躍式高速再入返回自主制導(dǎo)導(dǎo)航與控制等關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 “嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器飛行狀態(tài)示意圖Fig.4 Sketch of flight state of the Chang’e-5 flight test probe

2014年10月24日，“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由“長征3號(hào)丙”火箭成功發(fā)射。11月1日，返回器安全著陸在預(yù)定的四子王旗著陸場(chǎng)，落點(diǎn)精度優(yōu)于3 km。再入返回飛行試驗(yàn)取得圓滿成功，為探月三期“嫦娥5號(hào)”采樣返回任務(wù)的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！版隙?號(hào)”飛行試驗(yàn)器實(shí)現(xiàn)了我國航天器從近地軌道返回再入（第一宇宙速度）到從地外天體返回再入（第二宇宙速度）的跨越，標(biāo)志著中國的航天器具備以第二宇宙速度高精度再入地球大氣并安全返回地面的能力。

1.5 “嫦娥5號(hào)”探測(cè)器

“嫦娥5號(hào)”探測(cè)器（如圖 5所示）由軌道器、著陸器、上升器、返回器4器組成，任務(wù)目標(biāo)為采集2 kg月球樣品返回地球。

圖5 “嫦娥5號(hào)”探測(cè)器發(fā)射狀態(tài)構(gòu)形示意圖Fig.5 Sketch of launching state of the Chang’e-5 probe

2011年1月，“嫦娥5號(hào)”探測(cè)器進(jìn)入工程研制。研制隊(duì)伍積極借鑒返回式衛(wèi)星和載人飛船的成功經(jīng)驗(yàn)，充分繼承探月工程已有技術(shù)基礎(chǔ)和成熟產(chǎn)品，針對(duì)組合體工作模式復(fù)雜、技術(shù)難度大、資源約束苛刻的問題，強(qiáng)化了系統(tǒng)集成和功能復(fù)用，強(qiáng)化了飛行過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，已經(jīng)完成了采樣封裝、全尺寸羽流導(dǎo)流、著陸起飛、交會(huì)對(duì)接及樣品轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵技術(shù)的地面驗(yàn)證。目前，“嫦娥5號(hào)”探測(cè)器研制工作整體進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)將于2017年下半年擇機(jī)發(fā)射?！版隙?號(hào)”任務(wù)的順利實(shí)施，將突破月表自動(dòng)采樣、樣品封裝與保存、月面動(dòng)力上升、采樣返回軌道設(shè)計(jì)、月球軌道交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著中國的航天器具備了往返地外天體的能力。

1.6 “嫦娥4號(hào)”探測(cè)器

“嫦娥4號(hào)”探測(cè)器（如圖 6所示）由著陸器、巡視器和中繼星組成。中繼星、著巡組合體的分別發(fā)射，將實(shí)現(xiàn)人類航天器首次軟著陸于月球背面，并首次開展地月拉格朗日L2點(diǎn)中繼通信。

圖6 “嫦娥4號(hào)”探測(cè)器月球背面工作示意圖Fig.6 Sketch of working state on the lunar far side of the Chang’e-4 probe

2015年11月，“嫦娥4號(hào)”探測(cè)器進(jìn)入工程研制。著陸器、巡視器在繼承“嫦娥3號(hào)”技術(shù)基礎(chǔ)上，充分利用已投產(chǎn)的“嫦娥3號(hào)”備份產(chǎn)品，并進(jìn)行適應(yīng)性修改；中繼星采用CAST100平臺(tái)，并借鑒探月工程已有成果，針對(duì)地月拉格朗日L2點(diǎn)中繼任務(wù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。目前，“嫦娥4號(hào)”探測(cè)器研制工作已全面展開，著陸器和巡視器完成了技術(shù)狀態(tài)梳理和初步設(shè)計(jì)工作，中繼星完成了方案設(shè)計(jì)工作。根據(jù)任務(wù)安排，“嫦娥4號(hào)”中繼星預(yù)計(jì)于2018年上半年擇機(jī)發(fā)射，著巡組合體在中繼星完成在軌測(cè)試后于2018年下半年擇機(jī)發(fā)射?！版隙?號(hào)”任務(wù)的順利實(shí)施，將突破地月拉格朗日L2點(diǎn)軌道精確設(shè)計(jì)、復(fù)雜地形環(huán)境條件下的安全著陸、同位素供電與月夜工作等關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著中國的航天器初步具備全月面到達(dá)和全周期工作的能力。

2 中國月球探測(cè)器取得的成就

2.1 取得的工程技術(shù)成就

中國探月工程實(shí)施以來，在探測(cè)器研制過程中取得了大量擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高水平技術(shù)成果，推動(dòng)了月球探測(cè)器總體設(shè)計(jì)、軌道設(shè)計(jì)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、推進(jìn)、熱控與能源、測(cè)控通信、輕小型機(jī)構(gòu)、返回再入氣動(dòng)與防熱技術(shù)、地面試驗(yàn)驗(yàn)證等工程技術(shù)的進(jìn)步。

1）月球探測(cè)器總體設(shè)計(jì)技術(shù)

在“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中，考慮到任務(wù)飛行距離遠(yuǎn)和環(huán)繞遙感探測(cè)的特點(diǎn)[8]，衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)充分借鑒變軌能力強(qiáng)的“東方紅3號(hào)”平臺(tái)的推進(jìn)和結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及自主能力強(qiáng)的“資源系列”遙感探測(cè)衛(wèi)星平臺(tái)相關(guān)技術(shù)，進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在GNC、有效載荷和數(shù)管分系統(tǒng)之間設(shè)立重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)機(jī)制，設(shè)計(jì)多種整星安全工作模式，提高了衛(wèi)星在軌生存能力；設(shè)置全向、定向天線雙通道鏈路，提高了衛(wèi)星環(huán)月期間下行鏈路的可靠性；綜合衛(wèi)星軌道特性、有效載荷成像高度角約束與太陽電池陣對(duì)日跟蹤限制的情況，設(shè)置衛(wèi)星正飛和側(cè)飛姿態(tài)；合理調(diào)配衛(wèi)星推進(jìn)劑攜帶量與整星重量、優(yōu)化衛(wèi)星冗余及可靠性的關(guān)系，調(diào)配整星能源與衛(wèi)星溫控的矛盾，最終達(dá)到了全系統(tǒng)和全性能最優(yōu)。

在“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中，繼承了“嫦娥1號(hào)”的平臺(tái)構(gòu)架和分系統(tǒng)[9]，在軌道機(jī)動(dòng)、測(cè)控編碼和數(shù)傳碼速率等方面均提升了平臺(tái)能力；針對(duì)技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)需求，更換和改進(jìn)了科學(xué)載荷，并對(duì)軌道方案、飛行程序、熱設(shè)計(jì)等進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器為全新航天器，在繼承繞月探測(cè)已有技術(shù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了地外天體表面軟著陸和巡視探測(cè)航天器的總體方案。針對(duì)月球表面軟著陸[10]，開發(fā)了月面軟著陸仿真系統(tǒng)，制定了著陸安全的定量評(píng)估方法，提出地外天體不確定地形環(huán)境下基于拉丁超立方抽樣方法的快速著陸安全概率計(jì)算方法；針對(duì)月面巡視，提出了適合全月面地形的尋找過夜休眠點(diǎn)的移動(dòng)控制策略，建立了以輪壤接觸為特征的巡視器系統(tǒng)性能仿真和移動(dòng)性能量化評(píng)價(jià)體系。

“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器總體設(shè)計(jì)緊緊圍繞飛行驗(yàn)證的任務(wù)目標(biāo)，構(gòu)建了雙平臺(tái)（服務(wù)艙和返回器）飛行器系統(tǒng)，提出了變結(jié)構(gòu)總線、多體制數(shù)據(jù)系統(tǒng)融合的設(shè)計(jì)方法，解決了兩艙數(shù)據(jù)系統(tǒng)間信息交互以及器-地信息傳輸?shù)碾y題；提出了適用于高速再入返回的氣動(dòng)外形方案，并進(jìn)行功能綜合、機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)，解決了返回器“重量輕、體積小”這一要求所帶來的技術(shù)難題。

此外，總體設(shè)計(jì)過程的核心在于綜合，綜合的關(guān)鍵在于建模。針對(duì)歷次任務(wù)的新環(huán)境，探測(cè)器系統(tǒng)建立了月球引力場(chǎng)模型、月球紅外模型、月球表面溫度場(chǎng)分布模型、月表地形地貌模型、月壤物理特性模型、月塵模型、月表電磁波傳輸模型、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流與月面相互作用模型，并集成當(dāng)今計(jì)算機(jī)、智能控制、信息通訊等技術(shù)，構(gòu)建了我國首個(gè)針對(duì)多任務(wù)目標(biāo)、多探測(cè)方式和全任務(wù)周期的月球探測(cè)任務(wù)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)分析和支持平臺(tái)，在設(shè)計(jì)階段開展仿真驗(yàn)證，在任務(wù)實(shí)施前進(jìn)行飛行過程預(yù)示，在任務(wù)實(shí)施時(shí)對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為保證方案的正確性和執(zhí)行過程無差錯(cuò)提供了高效手段。

可以看出，隨著月球探測(cè)工程的順利實(shí)施，我國研制的月球探測(cè)器已經(jīng)涵蓋了繞月探測(cè)器、著陸器、巡視器和返回器4類，形成了一整套探測(cè)器總體設(shè)計(jì)的規(guī)范和方法，建立了任務(wù)仿真分析系統(tǒng)和專業(yè)分析模型，技術(shù)水平已達(dá)到國際先進(jìn)。

2）月球探測(cè)軌道設(shè)計(jì)技術(shù)

月球探測(cè)所面臨的軌道設(shè)計(jì)問題已經(jīng)無法用傳統(tǒng)的二體問題理論解決，需要考慮地球和月球引力的影響，對(duì)地球、月球和探測(cè)器的三體問題進(jìn)行分析求解，并且綜合考慮地月相對(duì)位置、測(cè)控覆蓋范圍、運(yùn)載發(fā)射條件、燃料攜帶量、月影分布和月食時(shí)機(jī)等各種約束條件，來對(duì)軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。

“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星設(shè)計(jì)了調(diào)相軌道進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移、多次減速制動(dòng)進(jìn)入繞月軌道的方案[11]，有效地將每月1 d的發(fā)射機(jī)會(huì)擴(kuò)大到每月3 d，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星10余次變軌時(shí)地面測(cè)控站及測(cè)量船的布點(diǎn)位置一致的要求，同時(shí)還保證了速度增量需求最小?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)建立了以三體問題為基礎(chǔ)的軌道設(shè)計(jì)精確數(shù)值方法及模型，開創(chuàng)性地應(yīng)用軌道拼接技術(shù)，解決了攝動(dòng)影響下的調(diào)相和地月轉(zhuǎn)移軌道拼接問題。

“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星基于運(yùn)載火箭滑行時(shí)間可調(diào)設(shè)計(jì)了直接地月轉(zhuǎn)移軌道[12]，將地月轉(zhuǎn)移時(shí)間由“嫦娥1號(hào)”的12 d縮短為不到5 d；基于擬凍結(jié)軌道理論設(shè)計(jì)了可長期穩(wěn)定保持的環(huán)月軌道，將軌道高度由“嫦娥1號(hào)”的200 km降低為長期運(yùn)行的100 km和對(duì)虹灣成像時(shí)的15 km。在完成預(yù)定任務(wù)后，設(shè)計(jì)了日地拉格朗日L2點(diǎn)軌道，國際上首次實(shí)現(xiàn)從月球軌道飛赴日地拉格朗日L2點(diǎn)。利用拉格朗日點(diǎn)伴地繞日特性，設(shè)計(jì)了小行星交會(huì)軌道，通過遍歷搜索和微分修正相結(jié)合的方法，解決了最優(yōu)出發(fā)能量的快速高精度求解軌道問題。

“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器針對(duì)著陸在月面特定區(qū)域的軌道設(shè)計(jì)任務(wù)要求，提出了動(dòng)力下降初始點(diǎn)確定方法，建立了適合于著陸任務(wù)的多約束條件下的倒推式、分段拼接軌道設(shè)計(jì)方法。

“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器設(shè)計(jì)了能量最優(yōu)繞月自由返回和地月拉格朗日L2點(diǎn)軌道方案，解決了降軌發(fā)射、升軌返回，高速再入分離點(diǎn)設(shè)計(jì)和再入走廊設(shè)計(jì)等難題，突破了大傾角變軌道借力飛行、地月拉格朗日L2點(diǎn)軌道的低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)技術(shù)。

可以看出，已掌握了探測(cè)器系統(tǒng)多約束條件下的地球、月球和探測(cè)器三體的軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，積累了不同發(fā)射軌道或出發(fā)條件以最小能量進(jìn)入不同目標(biāo)軌道（環(huán)月軌道、日地拉格朗日L2點(diǎn)軌道、地月拉格朗日L2點(diǎn)軌道、小行星交會(huì)軌道）的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論方法。這些經(jīng)驗(yàn)和方法可以直接應(yīng)用到后續(xù)的月球探測(cè)任務(wù)中，并為行星探測(cè)任務(wù)軌道設(shè)計(jì)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3）制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)

“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星突破了適應(yīng)復(fù)雜變軌、高精度高自主三體指向控制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)[13]。研制了紫外月球敏感器、雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，建立了我國首個(gè)適應(yīng)復(fù)雜變軌、高精度、高自主三體指向控制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，采用了全方位自主變軌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了變軌全過程星上自主控制。

“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星繼承了“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，增加了自主慣性對(duì)準(zhǔn)功能，解決了衛(wèi)星在太陽定向模式下的慣性快速對(duì)準(zhǔn)問題，提高了軌道控制自主性；新增的大推力軌道維持功能，提高了自主軌道機(jī)動(dòng)能力。

對(duì)于“嫦娥3號(hào)”著陸器的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了基于慣性導(dǎo)航配以外部測(cè)距測(cè)速信息修正的自主導(dǎo)航和自主式、高精度分段減速懸停式著陸控制方案[14]，研制了微波測(cè)速測(cè)距、激光測(cè)距、激光三維成像和光學(xué)成像等新型敏感器，開發(fā)了基于光學(xué)圖像和三維高程數(shù)據(jù)自主接力避障控制算法，實(shí)現(xiàn)了路徑優(yōu)、燃料省、誤差小、避障能力強(qiáng)的全自主避障軟著陸控制?！版隙?號(hào)”巡視器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，突破了月面非規(guī)劃環(huán)境自主導(dǎo)航控制技術(shù)，提出了多種適應(yīng)月面地形特征的啟發(fā)式路徑搜索算法、基于立體視覺的局部自主避障算法和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制算法，攻克了松軟環(huán)境下的滑移、滑轉(zhuǎn)等難題，實(shí)現(xiàn)了巡視器自主局部路徑規(guī)劃與避障。

“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)攻克了由全目標(biāo)、預(yù)偏置和降階策略組成的自由返回軌道中途修正策略和輪控姿態(tài)管理、噴氣管理和高精度加速度計(jì)閉環(huán)軌控的組合技術(shù)，解決了再入走廊控制精度要求高、姿控噴氣對(duì)再入角誤差影響嚴(yán)重、輪控調(diào)姿速度慢等問題，實(shí)現(xiàn)了半彈道跳躍式再入返回。

可以看出，隨著我國月球探測(cè)工程的實(shí)施，月球探測(cè)器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)也有了跨越式發(fā)展，提出了大量控制算法和模型，設(shè)計(jì)了滿足于不同任務(wù)要求的系統(tǒng)，研制了多種新型敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，探測(cè)器系統(tǒng)在高精度、高可靠和自主性等方面不斷增強(qiáng)。

4）推進(jìn)技術(shù)

“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星、“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星和“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器的推進(jìn)系統(tǒng)均有較好的繼承性，貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、管路、閥門等產(chǎn)品配置基本相同，所不同的是根據(jù)選用的運(yùn)載火箭的發(fā)射能力不同，攜帶的推進(jìn)劑有所不同，體現(xiàn)出來的軌道機(jī)動(dòng)能力有所差別。

“嫦娥3號(hào)”著陸器需要完成月球軟著陸任務(wù)，月球表面無大氣，無法利用大氣減速，需靠著陸器的推進(jìn)系統(tǒng)減小約1.7 km/s的速度，為保證著陸過程可控，還需探測(cè)器的推力可調(diào)，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。針對(duì)著陸過程中工作模式復(fù)雜、推力突變范圍大、推力精度要求高等嚴(yán)酷條件，通過系統(tǒng)流阻匹配、防晃防旋、系統(tǒng)減壓調(diào)節(jié)等針對(duì)性設(shè)計(jì)，解決了系統(tǒng)并聯(lián)均衡排放、液體晃動(dòng)、大流量變工況下系統(tǒng)穩(wěn)定工作等一系列難題；自主研制出我國第1臺(tái)航天器用高比沖、高控制精度的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，利用針?biāo)ㄊ搅髁空{(diào)節(jié)裝置分別對(duì)氧路、燃路和冷卻路的流量進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)推力連續(xù)可變。另外，大變比流量調(diào)節(jié)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)噴注器、大直徑薄壁噴管旋壓等突破性技術(shù)，對(duì)我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展起到了很大的帶動(dòng)作用。

可以看出，月球探測(cè)器的研制將進(jìn)一步牽引推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和新產(chǎn)品研發(fā)，化學(xué)推進(jìn)、雙組元軌控發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的提高、電推進(jìn)以及高效推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用將是后續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)。

5）熱控與能源技術(shù)

“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星創(chuàng)建了月球表面溫度場(chǎng)分布模型，采用變紅外熱流分析技術(shù)，解決了飛行過程月面的太陽反照、紅外輻照等外熱流條件復(fù)雜的難題，突破了適應(yīng)月球環(huán)繞寬飛行包絡(luò)的復(fù)雜熱控技術(shù)。針對(duì)月食，進(jìn)行了熱控和供配電系統(tǒng)的精確設(shè)計(jì)，合理調(diào)整飛行程序，最大限度地平衡能源，并對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星和“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器全面繼承了“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)和供配電設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)和技術(shù)狀態(tài)變化進(jìn)行了局部適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器工作在月球表面，除發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、繞月飛行等過程經(jīng)歷的熱環(huán)境可以借鑒“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)外，還必須針對(duì)月面復(fù)雜環(huán)境開展針對(duì)性設(shè)計(jì)。針對(duì)長達(dá)14 d的-180℃極低溫月夜環(huán)境，突破了1/6 g低重力輔助兩相流體回路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，以及涉核產(chǎn)品在航天嚴(yán)酷環(huán)境條件下的測(cè)試、試驗(yàn)技術(shù)，保證了基于同位素?zé)嵩春桶睘楣べ|(zhì)的熱量的有效導(dǎo)入和充分利用，實(shí)現(xiàn)了熱能的自主可控傳輸和儀器設(shè)備在極低溫環(huán)境下的月夜生存。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了光照喚醒電路和喚醒程序，提出了探測(cè)器斷電休眠、光照自主喚醒的月面休眠喚醒策略，通過自主感知太陽光照，實(shí)現(xiàn)著陸器和巡視器的可靠自主喚醒。

可以看出，隨著月球探測(cè)任務(wù)的進(jìn)一步復(fù)雜化，新型能源和新型熱控技術(shù)研究十分必要，并且需要將能源技術(shù)與熱控技術(shù)很好地結(jié)合，在最小的資源代價(jià)下為探測(cè)器提供最優(yōu)的能源保障和溫度保障。

6）測(cè)控通信技術(shù)

“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星基于當(dāng)時(shí)國內(nèi)地面站的能力，采用信道編碼技術(shù)提高衛(wèi)星下行遙測(cè)信道的抗干擾能力，運(yùn)用多維遙測(cè)下行組合技術(shù)提高了遙測(cè)通道利用率，采用高靈敏度接收技術(shù)和單元天線優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，突破了星載遠(yuǎn)距離測(cè)控通信技術(shù)，解決了首次月球探測(cè)的遠(yuǎn)距離測(cè)控問題。

“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)在繼承“嫦娥1號(hào)”的基礎(chǔ)上，針對(duì)X頻段體制驗(yàn)證任務(wù)要求，提出了新型分塊相干累積的頻譜估計(jì)算法，解決了超低信噪比下的信號(hào)捕獲難題；采用了數(shù)字處理的測(cè)距音轉(zhuǎn)發(fā)幅度自適應(yīng)控制技術(shù)，解決了全電平下測(cè)距音調(diào)制度動(dòng)態(tài)范圍大難題；研制了星載高靈敏度X頻段應(yīng)答機(jī)并完成了在軌驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了我國航天測(cè)控由S頻段向X頻段的技術(shù)跨越。此外，“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星在距地約700萬 km以遠(yuǎn)的空間將拍攝到的小行星圖像傳回地面，標(biāo)志著我國航天器測(cè)控通信距離達(dá)到了一個(gè)新高度。

“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器正式將X頻段作為任務(wù)頻段，在月球探測(cè)正式任務(wù)中首次進(jìn)行了X頻段統(tǒng)一載波測(cè)控體制的設(shè)計(jì)與實(shí)施。此外，設(shè)計(jì)了器間UHF通信系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)航天器在地外天體表面的數(shù)據(jù)傳輸。

可以看出，我國的月球探測(cè)器不僅具備地月約40萬 km測(cè)控通信的能力，還具備根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步擴(kuò)展的能力，高碼速率、高靈敏度、抗干擾、輕小型化將是未來測(cè)控通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

7）輕小型機(jī)構(gòu)技術(shù)

“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)需要研制了大角度機(jī)械掃描定向天線，攻關(guān)解決了雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及三自由度二維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的裝調(diào)測(cè)試和試驗(yàn)問題。

“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器系統(tǒng)資源有限，對(duì)空間和重量要求非?？量?，在機(jī)構(gòu)研制過程中采取了大量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)和減重措施。針對(duì)著陸緩沖，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“懸臂式”構(gòu)型、集成式壓緊釋放/展開鎖定裝置、主輔配合緩沖機(jī)構(gòu)，突破了高延伸率拉桿材料的制備、加工及表面處理工藝等關(guān)鍵技術(shù)，研制了延伸率超過70%的新型常溫超塑性材料，解決了著陸緩沖、著陸穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題。針對(duì)月面移動(dòng)，開展了車輪外形參數(shù)以及棘爪分布優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)殼體一體化設(shè)計(jì)，研制了可適應(yīng)各種月表環(huán)境的六輪全驅(qū)、四輪轉(zhuǎn)向、篩網(wǎng)式車輪的輕小型化移動(dòng)裝置。此外，還通過選用輕質(zhì)材料（例如鎂合金）、輕質(zhì)小型電連接器、輕小型軸承/電機(jī)和諧波減速器，以及機(jī)構(gòu)功能復(fù)用等措施，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的輕小型化。

可以看出，隨著任務(wù)功能要求的增多，探測(cè)器系統(tǒng)機(jī)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，一方面推動(dòng)了新材料和新工藝的產(chǎn)生，另一方面對(duì)機(jī)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)提出了更高要求，需要設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思想，從粗放式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化設(shè)計(jì)，真正做到裕度合理、工作可靠。

8）返回再入氣動(dòng)與防熱技術(shù)

“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器的返回器以半彈道跳躍式再入返回地球，驗(yàn)證了返回器氣動(dòng)外形和輕質(zhì)防熱系統(tǒng)，突破了高速再入返回氣動(dòng)設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證技術(shù)和以第二宇宙速度兩次再入大氣的熱防護(hù)技術(shù)，全面提升了我國對(duì)高速條件下高空稀薄大氣的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱、熱防護(hù)等技術(shù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，提高了高空稀薄大氣條件下高速再入過程數(shù)學(xué)和物理模型的精度，積累了高空大氣中高速飛行的工程經(jīng)驗(yàn)，帶動(dòng)了新材料的研制和航天裝備設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新。此外，高速返回再入氣動(dòng)與防熱技術(shù)可以為火星、小行星等天體的采樣返回任務(wù)提供參考和借鑒。

9）月球探測(cè)器地面試驗(yàn)技術(shù)

在月球探測(cè)器工程研制中，盡量真實(shí)模擬探測(cè)器經(jīng)歷的力、熱以及空間環(huán)境，對(duì)探測(cè)器開展充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，是確保任務(wù)成功的重要環(huán)節(jié)和重要保證。

在“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星任務(wù)中，針對(duì)月球軌道特殊熱環(huán)境，開展了模擬月球紅外熱流下的熱試驗(yàn)，并完成了月食專項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)和過月食設(shè)計(jì)的正確性。

在“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器任務(wù)中，針對(duì)著陸、巡視任務(wù)過程以及月面復(fù)雜環(huán)境，開展了多項(xiàng)專項(xiàng)試驗(yàn)。采用低重力模擬、月面反射特性模擬、月壤模擬、二維快速隨動(dòng)、光學(xué)和激光的高精度測(cè)量等技術(shù)，構(gòu)建了國內(nèi)首個(gè)懸停避障試驗(yàn)場(chǎng)、著陸試驗(yàn)場(chǎng)、巡視器內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)、2萬 N發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車臺(tái)等試驗(yàn)設(shè)施，創(chuàng)造性地提出了一系列針對(duì)軟著陸和巡視探測(cè)的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)方法[15]，其中系統(tǒng)級(jí)專項(xiàng)試驗(yàn)包括6項(xiàng)：以驗(yàn)證制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)和推進(jìn)分系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作能力為目的的懸停避障緩速下降試驗(yàn)；以考察著陸速度、著陸姿態(tài)對(duì)著陸穩(wěn)定性影響為目的的著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)；以驗(yàn)證著陸器主結(jié)構(gòu)在典型工況下抗沖擊性能為目的的著陸沖擊試驗(yàn)；以測(cè)試典型月面地形下巡視器移動(dòng)性能為目的的組合面試驗(yàn)；以測(cè)試巡視器移動(dòng)性能、導(dǎo)航控制性能為目的的內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)；以驗(yàn)證巡視器遙操作協(xié)同工作程序?yàn)槟康纳衬鈭?chǎng)試驗(yàn)等。

此外，在“嫦娥5號(hào)”飛行試驗(yàn)器和“嫦娥5號(hào)”探測(cè)器的研制過程中，還開展了綜合空投、起飛上升、采樣封裝、交會(huì)對(duì)接、樣品轉(zhuǎn)移等多項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能、性能進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。

在上述型號(hào)研制工作的基礎(chǔ)上，已形成了月球探測(cè)器地面試驗(yàn)、月面環(huán)境模擬要求及方法等系列航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了地面驗(yàn)證試驗(yàn)的項(xiàng)目、方法和內(nèi)容，有力保證了地面驗(yàn)證試驗(yàn)的完整性和有效性，為月球探測(cè)后續(xù)任務(wù)以及行星探測(cè)任務(wù)的地面驗(yàn)證工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 取得的科學(xué)成果

通過對(duì)“嫦娥1號(hào)”和“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星的繞月遙感探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了月球科學(xué)探測(cè)和對(duì)有開發(fā)利用前景的月球能源與資源的分布與規(guī)律進(jìn)行全球性、整體性與綜合性的探測(cè)，獲取了月球表面環(huán)境、地貌、地形、地質(zhì)構(gòu)造、月巖與月壤的成分與結(jié)構(gòu)以及物理場(chǎng)的探測(cè)數(shù)據(jù)[16-17]?！版隙?號(hào)”衛(wèi)星攜帶的CCD立體相機(jī)、干涉成像光譜儀、γ/X射線譜儀、微波探測(cè)儀、太陽高能粒子探測(cè)器和太陽風(fēng)離子探測(cè)器等5類科學(xué)儀器，共獲取1.37 TB的原始科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)；“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星攜帶的科學(xué)儀器與“嫦娥1號(hào)”基本相同，所不同的是新研制了分辨率更高的CCD立體相機(jī)，繞月探測(cè)期間共獲取3.5 TB原始科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)?！版隙?號(hào)”和“嫦娥2號(hào)”取得的主要科學(xué)成果包括：全月球數(shù)字高程模型和三維月球地形圖（如圖 7所示），7 m分辨率全月球影像圖（如圖8所示），鈾、釷、鉀的全月球含量分布圖，全月表礦物吸收中心分布圖以及Fe/Ti元素含量分布的反演，全月球4頻段月表微波輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)，近月空間高能粒子和太陽風(fēng)離子數(shù)據(jù)，近距離獲得圖塔蒂斯小行星10 m分辨率的圖像等。

圖7 “嫦娥1號(hào)”全月球數(shù)字高程圖Fig.7 The global lunar DEM model mapped with Chang’e-1 LAM data

圖8 “嫦娥2號(hào)”全月球7 m分辨率影像圖Fig.8 The Chang’e-2 full map of the Moon with 7 meters’ resolution

通過“嫦娥3號(hào)”著陸器就位探測(cè)和巡視器巡視勘察，實(shí)現(xiàn)了“測(cè)月、巡天、觀地”的目標(biāo)，探測(cè)對(duì)象由“面”向區(qū)域性的“點(diǎn)、面、內(nèi)部”一體化的綜合性探測(cè)深入與發(fā)展，獲取了月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造、月表物質(zhì)成分和可利用資源、日地月空間環(huán)境與月基天文觀測(cè)等探測(cè)數(shù)據(jù)?！版隙?號(hào)”著陸器攜帶了地形地貌相機(jī)、降落相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)等4類科學(xué)儀器，巡視器攜帶了全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外光譜儀、粒子激發(fā)X射線譜儀等4類科學(xué)儀器，截至2016年7月，獲得各類數(shù)據(jù)共計(jì)7 TB?！版隙?號(hào)”探測(cè)器取得的主要科學(xué)成果包括：獲取了月球外逸層水含量的最新結(jié)果，修正了國外得出的月球上有大量水分子存在的結(jié)論；獲得1 300多幅地球等離子體層圖像數(shù)據(jù)（如圖 9所示），首次發(fā)現(xiàn)了地球等離子體層邊界在磁層亞暴的影響下發(fā)生凸起的現(xiàn)象，提出了等離子體層的空間結(jié)構(gòu)受到地球磁場(chǎng)和電場(chǎng)約束及控制的最新觀點(diǎn)；國際上首次獲得著陸區(qū)月殼淺層330 m深度的剖面結(jié)構(gòu)特性及地質(zhì)演化圖；首次揭示了月球雨海區(qū)的火山演化歷史；發(fā)現(xiàn)了一種全新的月球玄武巖。

圖9 “嫦娥3號(hào)”極紫外相機(jī)觀測(cè)到的等離子體層圖像Fig.9 Image of plasma layer by extreme UV camera of the Chang’e-3 probe

總之，中國的月球探測(cè)器已實(shí)現(xiàn)了：由對(duì)月球的全球普查到區(qū)域詳查的跨越，由月球軌道遙感探測(cè)到多種手段綜合月面就位探測(cè)的跨越，為月球及天文研究提供了寶貴的第一手原始數(shù)據(jù)。同時(shí)，在數(shù)據(jù)處理、反演和月球基礎(chǔ)科學(xué)等方面取得了豐碩的成果，通過對(duì)這些科學(xué)數(shù)據(jù)的長期研究和不斷深化應(yīng)用，將進(jìn)一步深化人類對(duì)月球和日地月乃至更大空間的科學(xué)認(rèn)知，并將推動(dòng)空間科學(xué)的發(fā)展和新興學(xué)科的建立。

2.3 取得的人才隊(duì)伍和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成就

經(jīng)過探月工程型號(hào)研制的錘煉，目前探測(cè)器系統(tǒng)已經(jīng)形成了一支追求創(chuàng)新、不斷超越的人才隊(duì)伍，其中包括中國科學(xué)院院士1人、“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才1人、973項(xiàng)目技術(shù)首席1名，973項(xiàng)目專家組成員3人、重大專項(xiàng)專家組成員5人、國務(wù)院政府特殊津貼專家5人，獲得國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國防科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)3項(xiàng)，2014年獲航天科技集團(tuán)至今唯一的“國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”獎(jiǎng)，榮獲中國青年“五四”集體、全國“三八”紅旗集體等多項(xiàng)榮譽(yù)稱號(hào)，獲得授權(quán)專利一百余項(xiàng)，出版科技專著六部，撰寫國防科技報(bào)告二百余篇，發(fā)表學(xué)術(shù)論文近百篇，擁有一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技成果。這支以老專家、院士為顧問，以中年專家為核心，以青年骨干為主力“老中青”結(jié)合的人才隊(duì)伍，為后續(xù)任務(wù)的順利實(shí)施奠定了人力基礎(chǔ)。

在月球探測(cè)器研制過程中，新研制了多維隨動(dòng)塔架（如圖 10所示）、2萬 N發(fā)動(dòng)機(jī)高模試車臺(tái)、高能脈沖風(fēng)洞等特種試驗(yàn)設(shè)施；新建設(shè)了著陸懸停避障試驗(yàn)場(chǎng)、月面起飛上升試驗(yàn)場(chǎng)、著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)場(chǎng)、巡視器內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)、導(dǎo)航控制試驗(yàn)場(chǎng)、超聲速電弧風(fēng)洞和跨超/高超聲速氣動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)等綜合試驗(yàn)場(chǎng)所。填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(nèi)空白，為探測(cè)器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和地面試驗(yàn)提供了有力的支撐，并為后續(xù)任務(wù)地面試驗(yàn)驗(yàn)證奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖10 凈高70 m的多維隨動(dòng)塔架Fig.10 Multidimensional follow motion tower with 70 m height insight

3 中國月球探測(cè)器技術(shù)發(fā)展展望

3.1 中國月球探測(cè)后續(xù)發(fā)展設(shè)想

探月工程“繞、落、回”三步走任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著我國具備了月球到達(dá)、月面著陸、月地返回的基本能力?？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，整體能力快速發(fā)展。

結(jié)合國外發(fā)展趨勢(shì)和我國實(shí)際情況，我國月球探測(cè)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(cè)，不斷深化月球科學(xué)研究和新技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)無人月球探測(cè)與載人月球探測(cè)的有機(jī)銜接，逐步實(shí)現(xiàn)從技術(shù)試驗(yàn)、科學(xué)探測(cè)向技術(shù)應(yīng)用、資源利用的模式轉(zhuǎn)變，形成全月面、全周期、復(fù)雜環(huán)境條件下的機(jī)器人月球探測(cè)能力，開展載人月球探測(cè)相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證，力爭(zhēng)引領(lǐng)國際月球探測(cè)的發(fā)展。

3.2 月球探測(cè)器工程技術(shù)發(fā)展建議

綜合分析國外月球探測(cè)后續(xù)任務(wù)情況，未來我國探月工程技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)為：1）研制固定式、大范圍內(nèi)移動(dòng)式等多種類型的月球探測(cè)器，為各類科學(xué)研究以及技術(shù)驗(yàn)證提供多種技術(shù)手段；2）提升月球探測(cè)技術(shù)能力，突破全月面到達(dá)、高精度著陸、智能機(jī)器人、深空自主導(dǎo)航、地月高數(shù)據(jù)率通信、無線能量傳輸?shù)纫幌盗嘘P(guān)鍵技術(shù)；3）進(jìn)行月面原位資源利用以及基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建等技術(shù)驗(yàn)證，為載人月球探測(cè)儲(chǔ)備技術(shù)基礎(chǔ)。

建議先期重點(diǎn)開展的月球探測(cè)器工程技術(shù)研究項(xiàng)目：

1) 月球探測(cè)后續(xù)任務(wù)總體設(shè)計(jì)。主要包括：月球極區(qū)探測(cè)器系統(tǒng)級(jí)任務(wù)規(guī)劃分析、月球極區(qū)環(huán)境及其影響分析和總體方案論證；月面低空飛掠探測(cè)器的總體方案論證、自主制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、飛行動(dòng)力和地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究。

2）月面著陸緩沖行走一體化及多功能機(jī)器人技術(shù)研究。主要包括：著陸緩沖行走一體化方案設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)性能綜合仿真分析與地面綜合驗(yàn)證；月面多功能機(jī)器人系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、月面大范圍靈巧機(jī)械臂技術(shù)研究、機(jī)器人系統(tǒng)人機(jī)交互及演示驗(yàn)證系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

3）月地高數(shù)據(jù)率測(cè)控通信技術(shù)研究。主要包括：月-地激光通信極窄信標(biāo)捕獲、跟蹤，月地激光通信系統(tǒng)空間強(qiáng)背景光噪聲抑制和補(bǔ)償，器地間振動(dòng)和耦合擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)研究。

4）月面長期能源供給技術(shù)研究。主要包括：無線電能傳輸方案設(shè)計(jì)、無線電能傳輸系統(tǒng)建模與仿真、原理樣機(jī)研制及性能評(píng)估。

5)科學(xué)探測(cè)與資源勘查技術(shù)研究。主要包括：地月高精度測(cè)距載荷、近地小行星預(yù)警載荷、遠(yuǎn)距離電磁輻射監(jiān)測(cè)載荷、月面巖石就位定年載荷等樣機(jī)研制和試驗(yàn)驗(yàn)證。

6)月面原位資源利用以及基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建技術(shù)研究。主要包括：月壤原位成型、月面氧氣/水等特定物質(zhì)制備、月面環(huán)境生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)等技術(shù)研究和設(shè)備研制。

3.3 月球科學(xué)研究發(fā)展建議

綜合分析國內(nèi)外的研究情況，月球科學(xué)研究發(fā)展重點(diǎn)可以概括為以下10個(gè)方面：1）月殼及月幔組成和演化；2）月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；3）年輕的火山活動(dòng)；4）月球年代學(xué)研究；5）太陽風(fēng)及地球風(fēng)與月球相互作用；6）獲得一批短波射電天文觀測(cè)數(shù)據(jù)；7）月球的水及其揮發(fā)成分；8）月壤及月塵形成機(jī)制；9）月面資源及可利用性；10）生物個(gè)體以及相互關(guān)系的影響。

建議先期重點(diǎn)開展的科學(xué)研究項(xiàng)目：

1）月面環(huán)境綜合效應(yīng)與月球演化進(jìn)程研究。主要包括：月面塵埃、溫度等環(huán)境綜合效應(yīng)探測(cè)；月球內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)；火山巖石、月殼古老巖石的就位定年和樣品的實(shí)驗(yàn)室精細(xì)分析。

2）月球資源開發(fā)利用和生命科學(xué)試驗(yàn)研究。主要包括：月面資源詳查及其開發(fā)利用科學(xué)試驗(yàn)；低重力、高真空等月球環(huán)境下的生命科學(xué)、材料科學(xué)等試驗(yàn)研究。

3）月基天文觀測(cè)與對(duì)地監(jiān)測(cè)。主要包括：低頻射電觀測(cè)，填補(bǔ)0.1～1 MHz射頻天文觀測(cè)的國際空白；基于地月距離精確測(cè)量的廣義相對(duì)論效應(yīng)驗(yàn)證；月基近地小天體監(jiān)測(cè)預(yù)警、地球空間天氣事件和氣候變化的長期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語

經(jīng)過50多年的航天工程實(shí)踐和月球科學(xué)研究，特別是“繞、落、回”月球探測(cè)工程的實(shí)施，使我國已躋身于月球探測(cè)技術(shù)先進(jìn)行列。但我們也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，在探測(cè)手段、探測(cè)深度和探測(cè)廣度，以及關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備方面，我國同世界航天強(qiáng)國相比還存在一定差距。我國應(yīng)持續(xù)開展月球探測(cè)，不斷深化月球科學(xué)研究和新技術(shù)驗(yàn)證，保持在月球探測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，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)載人月球探測(cè)和月球資源開發(fā)利用奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，并在國際月球探測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由“跟隨”到“引領(lǐng)”的跨越，使我國成為月球探測(cè)的領(lǐng)跑者。

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通信地址：北京2417信箱1分箱（100086）

電話：（010）68197053

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)。

通信地址：北京市海淀區(qū)阜成路16號(hào)航天科技大廈（100048）

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E-mail：yudyun@sina.com.cn

孫澤洲（1970- ），男，研究員，博士生導(dǎo)師，嫦娥3號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、火星探測(cè)器總設(shè)計(jì)師。主要研究方向：航天器總體設(shè)計(jì)。

通信地址：北京市5142信箱402分箱（100094）

電話：（010）68346413

E-mail：sunzezhoul970@126.corn

申振榮（1972- ），男，研究員，主要研究方向：航天器總體設(shè)計(jì)。

通信地址：北京市5142信箱373分箱（100094）

電話：（010）68346883

E-mail：zrshen@sina.corn

Achievements and Prospect of Chinese Lunar Probes

YE Peijian1，YU Dengyun2，SUN Zezhou3，SHEN Zhenrong3
（1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100048，China；3.Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

This paper briefly reviews the overall development history of domestic and overseas lunar explorations firstly.Secondly the development and implementation of Chinese lunar probes are introduced.Thirdly the technical achievements and scientific results accomplished by Chinese lunar probes are concluded.Lastly the prospect of Chinese lunar probe is looked forward.

lunar exploration；lunar probe；achievement；prospect

V476.3

A

2095-7777(2016)04-0323-11

10.15982/j.issn.2095-7777.2016.04.004

葉培建，于登云，孫澤洲，等.中國月球探測(cè)器的成就與展望[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2016，3（4）：323-333.

Reference format：Ye P J，Yu D Y，Sun Z Z，et al.Achievements and prospect of Chinese lunar probes [J].Journal of Deep Space Exploration，2016，3（4）：323-333.

葉培建（1945- ），男，中國科學(xué)院院士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：航天器工程、飛行器總體。

[責(zé)任編輯：高莎]

2016-09-23；

2016-09-29

國家重大科技專項(xiàng)工程