“嫦娥”登月

绕、落、回

自2006年我国的探月工程——嫦娥工程实施以来，民众对“绕、落、回”三个字想必十分熟悉。目前我们正在实施的是其二期工程。简单回顾一下探月三期的具体步骤：一期绕月探测，即发射一颗月球探测卫星对月球进行全球性普查。已由2007年10月24日发射的“嫦娥”1号月球探测卫星实现，其在轨有效探测16个月，于2009年3月受控撞月，实现了我国自主研制卫星进入月球轨道的突破，并获得全月图。

二期工程为落月探测，实现月球软着陆和自动巡查。即发射月球软着陆器，并携带月球巡视勘察器（俗称月球车），在着陆器落区附近进行就位精细探测，对月球进行区域性详查。先导星“嫦娥”2号于2010年10月发射，为本次的“嫦娥”3号验证了部分关键技术。特别是详细勘察了“嫦娥”3号可能的落月区域，在成功获得世界上首幅7米分辨率全月图后，“嫦娥”2号超额完成环绕探测日地拉格朗日L2点、飞越探测图塔蒂斯小行星的“附加题”，目前已飞离地球约6 000万千米，成为离我们最远的“Made in China”。

三期工程为采样返回探测，即发射月球采样返回器，软着陆在月球表面特定区域，并进行分析采样，然后将月球样品带回地球，在地面实验室对样品进行详细研究、精准分析。为实现无人自动采样返回的创举，计划于2014年实施再入返回实验，并与2017年发射“嫦娥”5号（‘嫦娥4号为3号的备份，目前业已完成关键单机产品研制）。

嫦娥工程三大步，每一步都是对前一步的深化，并为下一步奠定基础。本次发射的“嫦娥”3号为二期工程主任务，核心是实现探测设备登上月球，进行科学探测。其全称叫“月面软着陆探测与自动巡视勘察”，即把月球探测器发射至月球表面软着陆进行探测，精细探测着陆区的土壤、岩石、环境、热流和月表的环境，进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析，建设月基天文台，为后续进一步开发的月球基地选址提供月面环境、地形、月岩的化学与物理性质等数据。

40年后，真正重返月球

“嫦娥”3号顾问叶培建院士介绍：“‘嫦娥3号是我国发射的第一个地外软着陆探测器和巡视器（或称月球车），也是第一轮探月活动结束后世界上重返月球的第一个软着陆探测器”。

在经历了1959至1976年第一次探月高潮之后，世纪之交，人类大张旗鼓展开了第二轮探月新高潮。本轮，不论是美国的“克莱门汀”号、“月球勘探者”号，还是欧洲的“智慧”1号，包括日本和印度的探月先驱，都只是在外围远观，还未有一架探测器平平稳稳地着陆月球。可以说，我国的“嫦娥”3号真正肩负起了“重返月球”的重任。

1973年1月8日，苏联发射的“月球车”2号登陆月面，进行了较大范围的月面勘测考察。至此40年间，月球表面一直寂寞沉积，再无可移动的“人”问津（1976年，苏联曾发射月球-24采样器）。2013年的12月，时隔40年之遥，“嫦娥”3号将代表全人类，再次踏上月表尘封已久的表面，印上中国的印迹。

月球是地球唯一的天然卫星，是离地球最近的宇宙天体，表面保存着其自46亿年前形成以来，至31亿年前其结束行星活动能力为止，期间的地质活动记录。对人们认识地球和太阳系的起源和演化历史有重要意义。探测距地球最近的天体——月球，是人类走向广袤太空的第一步。我们说，月球是人类探索未知的“第一个选择”，也是最简单的选择。但是，在我们将人类掌握的最先进科技，能用的、需要的全都用了上去之后，也仅仅是将12个人送去转了转，带回了些石块。一切似乎很伟大，但其实只是刚起步。

如果说第一波探月热潮来源于政治、军事和科技的竞赛。始于上世纪90年代初的第二波探月则显得更为务实及稳健。人类在满怀着探测宇宙深空的美好愿望，实现了载人登月并成功返回的技术验证后，再次向月球进发，一切皆源于月亮的现实“诱惑”。1979年联合国大会通过的《关于月球的协定》和早年通过的《外层空间条约》表明，月球不属于任何国家，月球及其自然资源是“全人类的共同财产”，只要“用于和平的目的”并“造福全人类”，各国均有权对其进行考察研究。

除了赫赫有名、蕴藏在月壤中的未来能源氦-3的巨大诱惑外，月球上还包括5种地球没有的矿物，另外一些稀有金属的储量可与地球互补，仅月海玄武岩中含有可开采利用的钛金属至少就有100万亿吨。

月球这个“真空世界（超高真空、没有气候变化、没有污染、弱重力、地基稳定、没有磁场和无线电波干扰）”是进行天文观测、基础科学实验、研制新型材料与生物制品的理想场所。此次，我国的“嫦娥”3号着陆器上就携带有月基光学望远镜，将首次实现月基天文观测。利用无大气遮蔽的、迄今最高的微型“天文台”对深空进行全新角度的“凝视”。

3笑倾城

“嫦娥”1号开拓，“嫦娥”2号惊喜，那么“嫦娥”3号会带给我们什么呢？“一笑倾人城，再笑倾人国”，三笑，有望倾动寰宇。我们掀起她神秘的面纱，先一睹芳容。

“嫦娥”3号探测器由着陆器和巡视器（月球车）两部分组成。月球车发射时置身着陆器内，两器分离前，月球车为探测器的载荷；分离后，为两个独立的探测器，各自分工不同，展开月面探测工作。整个探测器发射状态时，包络尺寸直径不大于4米，高度不大于3.6米。

其中着陆器有4条支架腿，除了头顶最宝贝的月球车外，还将携带常规的获取月表光学图像的地形地貌相机；曾搭载于“嫦娥”2号的，在月表软着陆过程中获取各个高度降落区域月貌的降落相机；上述月基光学望远镜；反观地球以获取地球等离子体层成像，可提高中国空间环境监测和预报能力的极紫外相机等4种有效载荷。

月球车质量约140千克，大约相当于未来着陆器中两名乘客的重量。有6个轮子，在顺利完成解锁、展开、平移、驶离的两器分离环节后，与其母体——着陆器永久分离，独自开展数月的月球巡视勘察。作为本次探月之旅的明星，这台我国自行研制的具有最高智能的机器人，可以实现全自主导航、避障、路径选择、探测点确定、选择探测仪器等功能。月球车行进的运行速度将大于200米/小时，慢是慢了点儿，但也是乌龟的两倍呢。设计可越过0.2米高的月表障碍。具备原地转向的能力，行进时转向半径小于1.5米，使得其在月海边缘，设计着陆区域内可往复运动，并灵活避障。安装在月球车底部的测月雷达，可探测月球车巡视路线上月壳浅层结构和月壤厚度，有消息称探测深度有望达到100米。

月球车上携带360度全景相机，用于实地获取着陆区及巡视区的月表三维图像。着陆器和月球车分离后可以互相“监视”，建议地面遥控的工程师们，在适当的时候让它们学“好奇”号自拍卖个萌，再来张“互拍”存个证。记得在月球车上贴一面中国国旗！

直通月球

让大家印象深刻的“嫦娥”1号发射过程图上，“嫦娥”先围着地球绕几个圈，走完地月转移轨道后，再围着月球绕几个圈。用专业点的语言描述就是先发射到近地轨道过渡，历经4种不同轨道，实施8次变轨后，才进入月球轨道。历时13天之多，似乎奔月异常艰难。

事实上，在“嫦娥”2号卫星发射时，这种曲线报国的状况就已经改善。它由运载火箭直接送入近地点200千米，远地点约38万千米的奔月轨道，5天左右就顺利进入环月轨道。与“嫦娥”1号规规矩矩走“国道”不同，有了底气的2号大大方方开上了“高速”。并成功开辟这一既快又准的通道，将其身为探月工程二期“先导星”的作用发挥了个淋漓尽致。

与“嫦娥”2号一样，本次的“嫦娥”3号同样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”发射质量重了1吨左右，因此正式启用当时“嫦娥”2号发射时，“舍不得”用的“长征”3号乙改2型捆绑式火箭。

我国发射“嫦娥”1号卫星使用的是长三甲，作为“长征”3号火箭家族中的“大哥”，它被誉为“金牌火箭”。当时考虑更多的是首次飞行任务的成功，所以采用了常规而保险的发射方式。到“嫦娥”2号的时候，由于增加了技术试验分系统，身量增加了130多千克，达到2 482千克，直奔地月转移轨道也需要推力更大的火箭，把卫星奔月的初速度提高到近11千米/秒，长三甲无法满足这样的要求。家族中的“二弟”长三乙是当时我国推力最大的火箭，对于总重不到3吨的卫星来说有些“有力用不完”。而有着两个助推器的长三丙，正好可以满足轨道和推力的要求。因此，探月专家们当时把“二姑娘”许配给了“三弟”。

而这一次，大家伙配大火箭，强强联合。“除了考虑最有效利用推力以外，专家们考虑的核心问题是火箭的可靠性”，中国运载火箭技术研究院总体部相关专家介绍，“‘嫦娥1号卫星发射采用调相轨道，对火箭来说类似于打‘固定靶。而‘嫦娥3号以及之前的2号卫星发射采用地月转移轨道，火箭要兼顾地月日之间的关系，发射类似于打‘移动靶。”增加的难度可想而知。

地月转移轨道的轨道设计要受到多方面因素制约，除了我们能够直观理解的要考虑其决定性因素——地月日三者之间的运动规律，以及我国的实际情况——测控覆盖范围之外，火箭一级落区也是一个需要考虑的现实因素。我国在西昌卫星发射中心发射的火箭，其一二级分离后，一级火箭的壳体和发动机按规定要落在西南地区特定的区域内。由于该区域已形成发射时人员撤离的惯例，为保障地面人员的安全而实施管理相对容易推行。所以作为一个外界人为影响的因素，要求一级火箭的落区限定在原有特定区域，也是设计轨道时必须要考虑的。

在严格的轨道设计条件约束下，打“移动靶”的“嫦娥”3号发射窗口宽度异常紧张，在12月2日至4日期间，每天有2个发射窗口。每天的第一个窗口宽度为4分钟，如未实施发射，40分钟后进入第二发射窗口，而第二个发射窗口宽度仅为1分钟。

本次发射，再此印证我国火箭可直指第二宇宙速度，意味着我国不但可以顺利推进探月工程后续任务，而且为今后有条件时进行火星、金星等深空探测，搭造了更远的“天梯”。

落下去，走起来

从西昌卫星发射中心点火升空，运载火箭将探测器直接送入近地点约200千米，远地点38万千米（地月距离）的地月转移轨道。探测器在轨飞行5天，进行1至3次中途修正。为了被月球捕获，探测器将主动创造条件，制动降速。之后受月球引力作用，进入100千米环月圆轨道。绕月4天，变轨改为与“嫦娥”2号相同的15千米×100千米椭圆轨道。进行到这一步时，基本过程与其先锋军“嫦娥”2号基本相同。

之后，就是属于“嫦娥”3号创造奇迹的时刻了。在环月椭圆轨道运行4天，充分“热身”完毕之后，“嫦娥”3号将进入最受瞩目的着陆阶段。在椭圆轨道的近月点，即高度为15千米时，接到地面下达的“落月”指令后，开始动力下降。此阶段大约持续720秒，航程约430千米，逐步降低轨道高度。期间利用微波测距敏感器、激光测距敏感器，测量与月球的相对距离和相对速度。

这一下降过程还是存在很大风险的。我们知道，月球上最高的山脉比喜马拉雅山的珠峰还高，近万米，除此之外还有许多错落险峻山带。对于高速飞行的探测器来说，即使是几秒的时间偏差，也有可能致其撞上高山。

在下降到距离月面3 000米左右时，利用光学成像敏感器，识别和避开较大障碍，进行粗避障。因为月球是真空环境，降落伞是用不上的。所以“嫦娥”3号只能是一边降落，一边用反推发动机把速度降下来。又由于月球表面凹凸不平，为了避开大石头和大坑，在“嫦娥”3号降落到距月面约100米时，利用三维成像敏感器，进行精避障。它会像直升机一样悬停一会儿，以有充分的时间观察地形，智能选择一块“看”上去比较平坦的地方，平飞到自主选择的着陆点上空，靠反推发动机慢慢下降。

直到降落至距月面4米高时，为避免扬起月尘，污染相机镜头或影响其他设备工作，权衡再三，专家们选择关闭发动机。要知道镜头如果被蒙上厚厚一层尘埃，可是没有“人”用眼镜布帮它擦擦干净的。反推发动机关闭后，“嫦娥”3号将迅速自由落体，不过由于月球的万有引力常量是地球上的1/6，还不至于摔得太严重。着陆器上的四个支架腿也能够起到缓冲作用，而且，每只脚上都穿了一只特制的马蹄形大“鞋”，让它在月面上能滑动一段，像跳运动员那样，可以进一步缓冲，避免硬撞急停。

安全落月，着陆器先要完成工作状态建立，并择机释放月球车。月球车先要移动到类似导轨的转移机构上，随其一起运动到位，并驶离转移机构，抵达月面。至此开始各自独立的“科研”工作。着陆器设计月面工作一年，月球车勘察巡视3个月。

熬过虹湾的漫长冬夜

“嫦娥”3号的着陆地点基本确定在月球虹湾地区。虹湾，又名“彩虹之湾”。当我们仰望夜空时，就能看到月球上有大面积的暗黑区域，被称之为月海。因为并不存在水，月海也并不是真正意义上的海，而是由类似地球玄武岩的岩石组成的平原，月海伸向月“陆地”部分称为月湾和月沼，虹湾就是月球的月湾之一。

“嫦娥”2号在帮3号考察着陆点时，重点观测的便是虹湾，并绘制了高精度三维景观图。在遍历了虹湾周围具备地形平坦、能源充足、可保障通信畅通和轨控有效的区域后，本次理想着陆区域确定为月球北纬42.6度至45.6度、西经18.2度至34.6度范围内。

着陆器在悬停自动避开月面障碍，自由落体实现软着陆后，落月点相对随机。落到哪里，着陆器就对哪里进行科学探测。月球车同样，在月球表面行走，走到哪里就探测到哪里，在茫茫月表，自由“驰骋”。月球车头顶的桅杆上有两对相机和一根定向天线。胸前白色机械臂则用于对月表成分进行探测。它还会在月球表面采集一些样品，进行就位分析，然后将分析的结果、月面图像及地质地貌情况传回地球。

中国探月工程首席科学家、天体化学家欧阳自远院士介绍，月球上，天一黑就是近半个月（月球的一天约相当于地球的27天，而且13天半是阳光普照的白天，13天半是寒冷的黑夜）。月昼期间，太阳热流照射时间长，最高温达150℃。顶着酷暑，着陆器和月球车分别开展就位探测及巡视勘察，获取并回传科学数据，并默默期盼高温假的到来。

终于当月夜降临，两器断电休眠。月球晚上的温度可达零下180℃，而月球车上很多设备的工作温度都有严格限制，仪器可承受的最低温约零下40℃。这也就是说，如果在月球的漫漫寒夜中没有足够能源给仪器保温，全部仪器要冻坏，在下一个白昼来临之时，月球车将无法“醒过来”。依靠传统卫星用太阳能电池板不足以储蓄半个月的电量，唯一的手段就是依靠核能——同位素温差电源与热利用技术，以保持整个探测器的温度。此外，先进的热控系统、月尘环境下机构的润滑与密封等技术，也将确保探测器系统顺利度过月夜。其中，为保温为创新的，低重力环境下机构重复展开与收拢技术比较有趣。到了晚上，原本展开的太阳帆板就会折叠起来，像被子一样盖在月球车上。

核电池与太阳能电池一起工作，协同作战，各司其职。但并不是外界盛传的“混合动力驱动”，欧阳自远介绍说：“太阳能负责提供月球车各种仪器的工作能源和驱动月球车行驶，而核能只负责在夜晚给月球车的仪器保温。并没有利用核能驱动月球车。”

“嫦娥”3号月球车，同“好奇”号火星车上核电池原料的一样，都是钚238。它的半衰期约为80年，衰变过程中释放出能量，可保持二三十年的生命力。

探、登、驻

就在“嫦娥”3号飞天准备工作紧锣密鼓展开的时候，2011年1月，探月工程的三期已悄然立项，它包括“嫦娥”5号和6号两次任务。由于有因“嫦娥”1号出色完成任务，其原本的备份——“嫦娥”2号便转入第二阶段，作为先导星开拓验证新技术的先例。不知作为“嫦娥”3号备份的4号，会不会依次顺利转入第三阶段，为返回验证技术难点，以保障采样返回阶段任务的成功实施。

“嫦娥”5号落月后将从月球上采集样品并返回地球，有望突破月面采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接和从月球返回等技术。据悉，为携带返回装置，“嫦娥”5号探测器将超出目前常规卫星平台的构架。由于太重太大，需更大推力的“长征”5号火箭运载发射，该火箭已在研制中。2017年，直径超出火车承载最大宽度的“长征”5号将通过船运，运往正在建设中的海南文昌发射场。

至今，人类总共发射了129个月球探测器，其中美国59个（成功率68%），苏联64个（成功率33%），日本2个（成功率50%），中国2个（成功率100%），欧洲1个（成功），印度1个（部分成功），整体成功率大约为50%。21世纪发射的月球探测器几乎全部成功。21世纪的月球探测热潮与冷战时期的月球探测热潮有明显的不同，除了驱动力由冷战时期主要满足政治和科学需要，改变为把科学探索和经济利益相结合，以探测月球资源为主之外，格局上也打破了20世纪只有美苏两个国家对月球探测的垄断局面，欧洲、日本、中国和印度等国家或组织都纷纷进行了月球探测，可以预见还将有越来越多的国家参与，且有望像国际空间站一样，逐渐转变成以国际合作方式为主，举全球之力共同开发未来月球资源的世界行为。

月球探测分为探、登、驻三大阶段，在完成了“探”，即无人探测之后，中国的下一步远景将是载人登月。在实现了载人地月往返之后，最终的目标将是短期驻扎，并希望开展月表研究、勘探及开采工作。

目前，我们走在第一个大点的，第二个小点里。18世纪德国哲学家康德所说：“在这个世界上，唯有两样东西能够深深地震撼人的心灵：我们内心崇高的道德准则，我们头顶灿烂的星空。”未来还很长，仰望星空，脚踏实地。

责任编辑：武瑾媛