解密嫦娥三號探測器 高新技術(shù)層出不窮

　　隨著嫦娥三號任務(wù)的開啟，人們的目光又一次聚焦中國航天。作為我國首個在地球以外天體實施軟著陸和月面巡視勘察的航天器，嫦娥三號探測器由哪幾部分組成?與其他衛(wèi)星相比有什么特點?技術(shù)創(chuàng)新點有哪些?面臨的風(fēng)險是什么?

　　重點實現(xiàn)三大目標(biāo)

　　從立項到發(fā)射，嫦娥三號探測器經(jīng)歷了5年9個月的艱難奮戰(zhàn)。

　　2008年3月，探月工程二期正式立項，嫦娥三號探測器系統(tǒng)全面啟動研制工作。相繼經(jīng)過了方案論證、初樣和正樣研制階段，并于2013年9月初，奔赴西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，開展為期近三個月的發(fā)射場工作。2013年12月2日，萬眾矚目的嫦娥三號一飛沖天，發(fā)射取得圓滿成功。

　　嫦娥三號探測器系統(tǒng)總設(shè)計師孫澤洲介紹說，嫦娥三號是我國首個在地球以外天體實施軟著陸和月面巡視勘察的航天器，將實現(xiàn)探月工程二期“落”的工程目標(biāo)，創(chuàng)造了我國航天史上的又一個第一。

　　與嫦娥一號、二號相比，嫦娥三號探測器主要包括巡視器和著陸器兩大部分——巡視器俗稱月球車，由9個分系統(tǒng)組成;而著陸器是為了實現(xiàn)月面軟著陸專門量身定做的新型航天平臺，有11個分系統(tǒng)。

　　嫦娥三號探測器由運載火箭發(fā)射升空后，經(jīng)發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段和動力下降段等過程，飛行大約14天的時間，將以軟著陸的方式降落在月球虹灣地區(qū);之后，著陸器釋放巡視器;兩器分離后，各自獨立開展月面探測工作。

　　嫦娥三號在飛行任務(wù)期間，將重點實現(xiàn)三大工程目標(biāo)，一是突破月球軟著陸、月面巡視勘察等關(guān)鍵技術(shù)，提升航天技術(shù)水平;二是研制月球軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站，具備月球軟著陸探測的基本能力;三是建立月球探測航天工程基本體系。此外，嫦娥三號還將開展月表形貌和地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查、月表物質(zhì)成分及其可利用資源的調(diào)查、日-地-月空間環(huán)境探測與月基天文觀測等四類科學(xué)探測，對我國后續(xù)探月工作發(fā)揮重要作用，將有效促進(jìn)深空探測領(lǐng)域的發(fā)展。

　　研制艱辛風(fēng)險難控

　　嫦娥三號探測器作為我國探月工程二期核心任務(wù)，技術(shù)跨度大，設(shè)計約束多。研制過程之艱辛，令很多參與任務(wù)的設(shè)計師刻骨銘心。

　　嫦娥三號探測器系統(tǒng)總指揮張廷新介紹說，嫦娥三號探測器具有“四新兩多兩難一緊”的鮮明特點。其中，“四新”是指面臨月面溫度、月塵、月壤、月面地形地貌等新環(huán)境;鑒定設(shè)備占80%以上的全新研制平臺;為新科學(xué)探測配備的全新載荷設(shè)備以及工作關(guān)系耦合度高、產(chǎn)品集成度高的新模式。

　　“兩多”主要是以著陸導(dǎo)航敏感器、熱控兩相流體回路、巡視器月面移動、巡視器遙操作等為代表的新技術(shù)多，且技術(shù)跨度大;參與研制、設(shè)計及試驗驗證的協(xié)作配套單位多。

　　“兩難”體現(xiàn)在地面驗證難，特別是由軟著陸特點決定的整器減重難。

　　“一緊”則體現(xiàn)在進(jìn)度緊，從立項到發(fā)射僅僅5年9個月，需完成從方案論證到初樣、正樣、發(fā)射場等各階段研制工作，以及相關(guān)的數(shù)十類產(chǎn)品攻關(guān)、幾百臺/套單機(jī)、鑒定件等的研制生產(chǎn)，多次大型專項試驗驗證，研制進(jìn)度十分緊張。

　　作為我國首個在地球以外天體實施軟著陸的航天器，與以往的任何衛(wèi)星任務(wù)相比，影響嫦娥三號探測器任務(wù)成敗的最大風(fēng)險點在哪里?

　　“毫無疑問，是月球以及它所帶來的月面環(huán)境的不確定性”，嫦娥三號著陸器副總師張熇介紹說，“從已掌握的資料看，月球表面覆蓋著一層由月面巖石碎屑、粉末、角礫等組成的月壤，而這層土壤又非常松軟，且崎嶇不平;同時，落月時具體的月面地形地貌也不能完全確定，這些為安全著陸帶來不可避免的風(fēng)險。而當(dāng)著陸器撞擊在月球表面上時，發(fā)動機(jī)的噴射以及著陸過程的沖擊都將揚起塵埃，這些激揚的月塵不僅影響成敗，更會對著陸器造成一定的危害。”

　　此外，嫦娥三號探測器采用了許多新技術(shù)，產(chǎn)品子樣少，產(chǎn)品成熟度低;而飛行程序又非常復(fù)雜，特別是近月制動、動力下降過程，對飛行時序的要求很高，需要探測器飛行控制嚴(yán)格按時序執(zhí)行，否則將影響主任務(wù)的完成。

　　面對諸多風(fēng)險，嫦娥三號研制團(tuán)隊早在初樣階段，就以風(fēng)險識別充分、鑒定驗證充分、試驗驗證充分為重點，確保技術(shù)見底;轉(zhuǎn)入正樣后，又提出以“把握關(guān)鍵環(huán)節(jié)、全面量化控制、精細(xì)操作實施”為重點，確保產(chǎn)品可靠、風(fēng)險可控。為了確保在軌飛行過程中能及時準(zhǔn)確地定位故障，并在最短的時間內(nèi)完成故障應(yīng)對處理，研制團(tuán)隊從關(guān)鍵飛行事件和公用服務(wù)系統(tǒng)兩方面對故障模式進(jìn)行梳理，著陸器制定140余項預(yù)案，巡視器制定70多項預(yù)案，明確在軌故障的判定準(zhǔn)則和處置措施，為探測器飛控實施提供有力保障。

　　六大創(chuàng)新迎接挑戰(zhàn)

　　面對技術(shù)新、難度大、系統(tǒng)復(fù)雜等風(fēng)險帶來的巨大考驗和一道道難關(guān)，嫦娥三號研制團(tuán)隊先后攻克了著陸減速、著陸段的自主導(dǎo)航控制、著陸沖擊的緩沖、月面熱控保障、月面移動、月面巡視過程的自主導(dǎo)航與遙操作控制等六大方面的關(guān)鍵技術(shù)。

　　變推力發(fā)動機(jī)破解著陸減速難題。發(fā)射升空后，嫦娥三號向著月球一路飛奔，直到設(shè)計師精心選擇的動力下降點。此時，如果繼續(xù)飛速前進(jìn)，嫦娥三號在著陸時就可能一頭撞在月球上，造成難以想象的后果。因此，必須讓她慢下來。

　　眾所周知，月球表面無大氣。所以，嫦娥三號無法利用氣動減速的方法著陸，只能靠自身推進(jìn)系統(tǒng)減小速度，在此過程中探測器還要進(jìn)行姿態(tài)的精確調(diào)整，并逐步減速以便在預(yù)定區(qū)域安全著陸。為了保證著陸過程可控，研制團(tuán)隊經(jīng)過反復(fù)論證，提出“變推力推進(jìn)系統(tǒng)”的設(shè)計方案，研制出推力可調(diào)的7500N變推力發(fā)動機(jī)，經(jīng)過多次點火試車和相關(guān)試驗驗證，破解了著陸減速的難題。

　　GNC系統(tǒng)新技術(shù)助力著陸段自主導(dǎo)航控制。據(jù)著陸器GNC(制導(dǎo)導(dǎo)航與控制)系統(tǒng)主任設(shè)計師介紹，探測器動力下降過程是一個時間較短、速度變化很大的過程，無法依靠地面實時控制。對此，GNC系統(tǒng)設(shè)計了專門的敏感器，進(jìn)行對月測速、測距和地形識別，確保了探測器在著陸段自主制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制。

　　著陸緩沖系統(tǒng)為軟著陸提供牢固支撐。當(dāng)探測器著陸在月面時，著陸器撞擊月面會形成較大的沖擊，巨大的沖擊力不僅可能造成探測器出現(xiàn)翻倒的可能，而且會激揚起月塵，對著陸器造成一定危害并影響任務(wù)成敗，同時由于月球表面覆蓋著一層松軟且崎嶇不平的月壤，這些都給著陸帶來了困難。對此，研制團(tuán)隊充分考慮了月壤物理力學(xué)特性對著陸沖擊、穩(wěn)定性的影響以及月塵的理化特性等，采用特殊的材料、設(shè)計和工藝，研制出全新的著陸緩沖系統(tǒng)，解決了上述難題，確保探測器實施軟著陸過程中，在一定姿態(tài)范圍內(nèi)不翻倒、不陷落，并為探測器工作提供牢固支撐。