中国航天60周年（四）：嫦娥工程揭奥秘

中国航天60周年（四）：嫦娥工程揭奥秘

深空探测能够帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，认识空间现象和地球自然系统之间的关系，并为人类今后开拓更为广阔的疆域打下基础，是了解地球、太阳系和宇宙，进而考察、勘探和驻留在太阳系内其他天体的第一步。

我国的深空探测是从月球探测开始的，这是因为月球是离地球最近的一个星球，又蕴含着丰富的资源和能源，所以从技术性、科学性和经济性等方面来看，在深空探测领域先探测月球是符合科学规律的。

1　早期准备

因为探测月球有重大的技术、政治、科学和经济等意义，所以随着我国经济和技术的发展，综合国力的提高，我国在开展人造地球卫星和载人航天之后与时俱进，于2004年适时开展了以月球探测为起点的深空探测活动。

其实，早在1991年，时任“863”计划航天领域首席科学家的闵桂荣院士就提出中国应开展月球探测活动的建议，并成立了“863月球探测课题组”。

1993年，国家航天局曾组织专家论证利用因其他任务延迟而空余的一枚长征-3A火箭，发射1颗人造物体硬着陆月球的计划。

20世纪90年代中期，美国提出重返月球，欧洲、俄罗斯、日本和印度等国也相继提出各自的月球探测计划，在世界上掀起第2轮探月热潮时，我国也组织相关专家对开展中国月球探测的必要性、可行性进行过初步的分析与论证，并认为我国已经有能力开展月球的探测，可用有限的资金发射一颗绕月探测器，并有一个简易的月球探测方案。但由于当时对月球探测尚未提出一个完整的发展规划，缺乏长期和有深度的科学探测目标，同时，国家的经济环境刚刚好转，航天基础还不像今天这样扎实，只能做到简单的环月飞行，对国家科技发展贡献有限，尤其是国家当时正在实施载人航天计划，所以这一探月计划未能启动。

不过，我国的月球探测研究工作并没有停止。1996年，我国完成了绕月探测器的技术方案研究，1998年，国防科工委正式开始规划论证月球探测工程，完成了绕月探测器关键技术研究，以后又开展了深化论证工作，先后向相关的主管部门提交了《中国月球探测发展战略研究》和《中国月球资源探测卫星科学目标》等论证报告。

2000年，中国科学院研究组完成了《中国月球资源探测卫星科学目标》研究报告，提出了现今被广泛接受并作为立项目标的“绕、落、回”三步走的设想。同年11月22日，国务院新闻办公室发表《中国的航天》白皮书，“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”被列入了近期发展目标。

2001年10月，我国月球探测计划项目立项。从2002年起，国防科工委组织科学家和工程技术人员开始“月球探测一期工程的综合立项论证”工作。

2003年4月，国防科工委下达了月球探测工程关键技术攻关重大背景型号预研项目，月球探测工程进入工程立项前的攻关阶段。与此同时，国家航天局宣布正式启动月球探测工程的预先研究，最终提出了立足我国现有能力的绕月探测工程方案。

2004年1月23日，国务院正式批准了月球探测工程一期，即绕月探测工程立项，这是我国向深空探测迈出的第一步，对我国的政治、经济和科技的发展具有重要的战略意义。

2004年2月25日，经国务院批准，成立了绕月探测工程领导小组，并召开了第一次会议，会议通过了《绕月探测工程研制总要求》，同时宣布∶我国绕月探测工程于当日起正式实施，并将绕月探测工程正式命名为“嫦娥工程”。

2　发展战略

我国月球探测工程被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》16个重大专项之一。作为一项国家战略性科技工程，月球探测工程将服从和服务于科教兴国战略和可持续发展战略，以满足科学、技术、政治、经济和社会发展的综合需求为目的，把推进科学技术进步的需求放在首位，力求发挥更大的作用。整个工程规划贯彻“有所为、有所不为”的方针，选择有限目标，突出重点，集中力量，力求在关键领域取得突破，持续发展，为深空探测活动奠定坚实的基础。

“嫦娥工程”的“三步走”战略

通过探月工程的实施，可突破无人月球探测的主要关键技术，实现对月球的环绕、着陆、巡视探测和采样返回，形成探测器、深空测控网和运载火箭等一系列功能单元和自主创新的月球科研成果，具备开展无人月球探测的基本能力；初步建立中国深空探测的科学、技术和工程体系及创新团队，为空间科学研究和深空探测的可持续发展奠定基础。

依据循序渐进、分布实施、不断跨越的原则，经过10年酝酿，作为国家重大科技专项的探月工程分为“绕、落、回”三个发展阶段，在2020年前后完成。

第一阶段为绕月探测，即在2004-2007年研制、发射绕月探测器。其主要任务是∶研制和发射绕月探测器；突破绕月探测关键技术，对月球地形、主要部分元素及物质成分、月壤特性等进行综合探测；初步建立探月系统。这一阶段要突破地月飞行、远距离测控和通信、绕月飞行、月球遥测与分析等技术，并建立我国月球探测航天工程初步系统。它原定通过嫦娥-1、2绕月探测器完成，其中嫦娥-2是嫦娥-1的备份。后来由于嫦娥-1表现出色，嫦娥-2绕月探测器改为第二阶段的技术先导星。

第二阶段为落月探测，即在2007-2013年研制和发射携带月球车的落月探测器。其主要任务是∶突破月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术；研制和发射月球软着陆探测器和巡视探测器，实现月球软着陆和巡视探测，对着陆区地形地貌、地质构造和物质成分等进行探测，并开展月基天文观测。这一阶段主要突破月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信、月夜生存等关键技术，为以后建立月球基地的选址提供月面的化学和物理参数。它原定通过嫦娥-3、4落月探测器完成，其中嫦娥-4是嫦娥-3的备份，后来嫦娥-2也用于完成这一阶段任务。

第三阶段为采样返回探测，即在2013-2020年研制和发射采样返回器到月球表面特定区域软着陆并采样，然后将月球样品带回地球进行详细研究。其主要任务是∶突破采样返回探测器小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等技术，在现场分析取样基础上，采集关键性样品返回地球，进行实验室分析研究；深化对地月系统的起源与演化的认识。这一阶段主要突破返回器自地外天体自动返回地球的技术和和高精细月球样品分析技术等关键技术。它原定通过嫦娥-5、6采样返回器完成，其中嫦娥-6是嫦娥-5的备份，后来又增加发射了嫦娥-5试验器，用于突破和掌握嫦娥-5以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术。

“嫦娥工程”的每一步都是对前一步的深化，并为下一步奠定基础。从“绕、落、回”三期工程的科学目标看，它们有明显的递进关系∶“绕”就是对月球全球进行普查；“落”就是对着陆区附近进行区域性详查；“回”就是对着陆区附近进行区域性精查。最终达到全面、深入了解月球的目的。

“嫦娥工程”既参考了以往国际探月活动的经验，又具有我们自己的特色，始终围绕推动中国高新技术领域“原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新”的目标制订计划并组织实施。

在航天科技方面，“嫦娥工程”可逐步实现多项重大突破，首次到达地外天体，首次着陆在地外星球上，首次从地外星球拿回样本。这些技术的突破能推进航天工程系统集成、深空测控通信、新型运载火箭和航天发射等航天技术跨越式发展，带动信息技术、新能源技术、新材料技术、微机电技术、遥测科学等其他高新技术的发展。

在空间科学方面，通过首次对地球以外的星体和空间环境进行近距离和接触式探测，可使我国对于空间科学的认识大大深化，为我国的天体物理学、空间物理学与材料科学的研究建立新的平台，促进这些学科的创新和发展，并带动更多基础学科间的交叉、渗透与共同发展。

该工程可促进我国经济的可持续发展。近些年来我国经济高速发展，一定程度上是以高能耗、高污染为代价的，月球探测工程对高新科技的带动在不久的将来必然会回馈于经济，而以高新技术为动力的经济是低能耗、低污染、高效率的，符合可持续发展的方向。

它还能开拓中国航天活动的新领域；对提高综合国力，增强民族凝聚力具有重大作用；有利于在外空事务和未来开发月球中维护国家权益；促进中国高技术的全面发展；促进中国基础科学的创新和发展；参与开发利用月球资源，促进人类社会的可持续发展；推进中国航天领域的国际合作。

3　绕月探测

我国绕月探测是通过发射嫦娥-1绕月探测器来实现的，现已顺利完成，取得丰硕成果。

2007年10月24日，我国第1个月球探测器——嫦娥-1绕月探测器由长征-3A火箭送入太空，它于2007年11月20日传回所拍摄的第1幅月面图像，从而竖起了继东方红-1人造地球卫星、神舟-5载人飞船之后，我国航天的第三个里程碑。

嫦娥-1采用东方红-3卫星平台。其工作寿命1年，运行在距月球表面约200km高的极轨道上。与人造地球卫星相比，嫦娥-1采用了较多新技术，例如，采用了三体定向技术、紫外敏感器等。

所谓三体定向是指嫦娥-1能同时将其上的科学仪器总是对准月球，太阳电池翼总是对准太阳，定向天线总是对准地球，以便持续拍摄月面照片、持续获得光照、持续把探测结果及时发回地球。为使嫦娥-1上的科学仪器始终对准月球表面进行连续探测，它采取了三轴稳定的姿态控制方式，保证了星上仪器的一面始终朝向月球，满足遥感的需求。在卫星体姿态固定后，嫦娥-1一是采用了可一维转动的驱动机构，使太阳电池翼像桨轮一样实现360°的转动；二是利用太阳敏感器来捕获太阳的方位，然后不断控制驱动机构一直保持太阳电池翼获得最佳的太阳入射角，从而为嫦娥-1提供了充足的能源。

嫦娥-1传回的第1幅月面图像

在嫦娥-1上搭载了8种科学仪器∶CCD立体相机用于获取月球表面三维立体图像，分辨率120m；激光高度计用于测量月球表面到卫星的高度数据；干涉成像光谱仪、γ射线谱仪、X射线谱仪分别用于探测月球表面不同物质的化学元素；在世界上首次使用的微波探测仪用于测量月球的微波辐射特征，从而反演月壤的厚度；太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器用于探测从地球至月球的空间环境。

2008年7月1日，嫦娥-1完成了全月球影像数据的获取；2008年10月24日，它实现了在轨1年寿命，完成了各项任务。此后，又用嫦娥-1开展了变轨等10余项验证试验。为了给探月二期工程“探路”，积累落月过程控制和轨道测定方面的经验，嫦娥-1于2009年3月1日受控撞击了月球丰富海区域，成功完成硬着陆。

嫦娥-1累计飞行494天，其中环月482天，比原计划多飞117天；飞行期间经历3次月食；传回1.37TB有效科学探测数据；获取了全月球影像图、月表化学元素分布、月表矿物含量、月壤分布和近月空间环境等一批科学研究成果，填补了中国在月球探测领域的空白。

例如，嫦娥-1的CCD立体相机首次实现了月球表面的100%覆盖，使中国制作的“全月球影像图”在几何配准精度、数据的完整性与一致性、图像色调等方面均在国际上处于先进水平；采用嫦娥-1的激光高度计所获数据制作的分辨率为3000m左右的全月球数字高程模型，在精度和分辨率上都达到了国际先进水平，并在此基础上制作出达到国际领先水平的全月球三维立体数字地形图；嫦娥-1的γ射线谱仪获得了铀、钍、钾3类重要元素的全月球分布和含量，以及镁、铝、硅、铁、钛5类重要元素的局部区域的分布和含量；通过国际上首次采用的微波探测仪所获数据，推算出月壤平均厚度为5～6m，月壤中的氦-3含量约为1×106t；嫦娥-1还获得了太阳高能粒子时空变化图、太阳风离子能谱图和时空变化图等，发现了它们与地球磁场和月表带电粒子之间相互作用过程中的一些独特物理现象；提出了月球岩浆样结晶年龄为39.2亿年和月球东海盆地倾斜撞击成因的新观点等。

4　落月探测

我国落月探测是通过先后发射嫦娥-2、3、4探测器来实现，现已发射了嫦娥-2、3探测器，取得了丰硕的成果。

嫦娥-2

由于落月探测要突破月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信和月夜生存等一系列关键技术，技术跨度和实施难度较大。

因此，经过我国专家反复论证后决定，为了降低落月探测的风险，在发射我国首个落月探测器嫦娥-3之前，先于2010年10月1日发射了嫦娥-2绕月探测器，来突破嫦娥-3的部分关键技术。

嫦娥-2运行在距月球表面约100km高的极轨道上，设计寿命半年，分辨率7m，主要完成两大任务，一是对新技术进行试验验证，对未来的预选着陆区进行高分辨率成像；二是获得更加丰富和准确的探测数据，深化对月球的科学认知。

与嫦娥-1相比，嫦娥-2实现了6个方面技术创新与突破。①突破了运载火箭直接将卫星发射至地月转移轨道的发射技术；②首次试验了X频段深空测控技术，初步验证了深空测控体制；③首次验证了100km月球轨道捕获技术；④首次验证了近月点15km、远月点100km轨道机动与快速测定轨技术；⑤首次试验了小型降落相机、监视相机、高速数据传输等技术；⑥通过“俯冲”对嫦娥-3预选着陆区进行高分辨率成像，分辨率优于1.5m。

2011年4月1日，嫦娥-2的半年设计寿命期满。此后，它开展了三项拓展试验。一是在已获取99.9%月球图像的基础上，补全了月球南北两极漏拍点，获得了世界最全的高分辨率月球图；二是用主发动机降轨至15km，再次对嫦娥-3预选着陆区虹湾地区进行了高清晰度成像，以验证在月球背面卫星不可监测的条件下，导航控制与推进系统的协同能力；三是离开了月球，飞往太阳与地球引力平衡点—拉格朗日2点驻留，进行科学探测。

2011年8月25日，嫦娥-2在世界上首次实现了从月球轨道出发，受控准确进入拉格朗日2点环绕轨道，使我国成为世界上继欧洲航天局（ESA）和美国之后第3个造访拉格朗日2点的国家或组织，开展了日地空间环境探测。

2012年6月1日，嫦娥-2又成功变轨，进入飞往小行星的轨道。同年12月13日，嫦娥-2以10.73km/s的相对速度，与图塔蒂斯小行星由远及近“擦肩而过”，首次实现中国对小行星的飞越探测。嫦娥-2在与小行星最近相对距离达到3.2km时，其星载监视相机对小行星进行光学成像，使我国成为世界第4个探测小行星的国家。它开创了中国航天通过一次发射开展月球、拉格朗日2点、小行星等多目标多任务探测的先河。

2014年6月，已成为我国首个人造太阳系小行星的嫦娥-2与地球间测控距离突破1×108km，为未来我国火星探测测控奠定了基础。嫦娥-2超期服役飞行，既可测试国产元器件寿命，又能验证中国测控通信系统的传输能力。2029年前后，嫦娥-2将回归到距离地球约7×106km的近地点。

嫦娥-3

嫦娥-3是我国探月工程二期的主任务。2013年 12月2日，我国成功把嫦娥-3落月探测器直接送入地月转移轨道。12月14日，嫦娥-3在月面软着陆，首次实现了我国对地球以外天体的软着陆。12月15日，嫦娥-3着陆器与玉兔号月球车互相拍照，使我国成为世界第3个掌握落月探测技术的国家。

嫦娥-3的工程目标有3个。一是突破月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术，提升航天技术水平；二是研制月面软着陆探测器和巡视探测器，建立地面深空站，获得包括运载火箭、月球探测器、发射场、深空测控站、地面应用等在内的功能模块，具备月面软着陆探测的基本能力；三是建立月球探测航天工程基本体系，形成重大项目实施的科学有效的工程方法。

嫦娥-3的科学目标也有3个∶一是调查着陆区与巡视区月表地形地貌与地质构造；二是调查着陆区与巡视区月表物质成分、月球内部结构以及可利用资源；三是探测地球等离子体层以及开展月基光学天文观测。

嫦娥-3宽度为4m、高度为4.2m，发射质量3780kg，其中干质量为1220kg。它由着陆器和巡视器（俗称月球车，名叫玉兔号）组成，所以发射嫦娥-3实际上是发射了2个月球探测器，能分别开展就位探测和巡视探测，这在国际上也是首次。

玉兔号月球车上的全景相机拍摄的嫦娥-3着陆器

嫦娥-3着陆器质量为1080kg，寿命12个月，着陆区为月球虹湾地区。载有玉兔号月球车的嫦娥-3着陆器在落月时克服了反推减速、自主控制和着陆缓冲三大技术难点，通过主减速、快速调整、接近、悬停、避障、缓速下降等几个阶段，于2013年12月14日安全落在了月球虹湾以东区域，一共耗时近700s。它落在月球19.5°（E）、44.1°（N）的虹湾以东区域，而且很平坦，只有1°～2°倾斜，远远低于小于15°倾斜的要求。我国采用的悬停、避障的智能着陆技术具有国际先进水平。此前，国外的月球着陆器多为盲降，所以成功率不高。

此后，着陆器携带的4种科学载荷先后开始就位探测，其中的极紫外相机和月基光学望远镜是在世界上首次应用。极紫外相机对地球周围等离子体层的整体变化进行了长期全方位观测，这有助于了解太阳和地球的相互关系，提高中国空间环境监测和预报能力。它们获得了大量成果。月基光学望远镜也是在世界上首次应用，它主要在近紫外波段对重要天体的光变进行长期连续监测。

玉兔号月球车质量为140kg，长1.5m、宽1m、高1.1m，设计寿命3个月，可6轮独立驱动，4轮独立转向，具有爬20°坡、越20cm高障碍的自主越障和避障能力，活动范围为5km2，移动速度为200m/h。它首次靠“视觉”来完成定位工作，当遇到超过20°的斜坡、高于20cm的石块或直径大于2m的撞击坑时，能够自主判断，安全避让。

在脱离嫦娥-3着陆器之后，玉兔号月球车用携带的4种科学载荷先后开始巡视勘察，其中的测月雷达是在世界上首次应用。它装在月球车底部，可用于在巡视过程中直接探测30m内月壤结构和100m深的浅层月壳结构。它有2个探测通道，高频通道探测30m深月壤结构，低频通道探测100m深月壳的结构。

嫦娥-3在落月后面临的最大难关就是月夜生存。为此，嫦娥-3首次采用了同位素热源以及导热流体回路、隔热组件、电加热器等，这相当于给探测器“盖被子”、“生炉子”、“开空调”，以确保舱内温度控制在-50～50℃，使探测器系统能顺利度过月夜，然后被唤醒工作。

2016年1月4日，嫦娥-3着陆区4项月球地理实体命名获得国际天文学联合会（IAU）正式批准，分别是广寒宫、紫微、天市和太微。至此，以中国元素命名的月球地理实体达到22个。

到2016年10月，嫦娥-3着陆器上的大部分设备仍在工作，成为在月表工作时间最长的人造航天器。

至今，嫦娥-3开展了“测月、巡天、观地”的科学探测，取得了大量科学数据。同时，研究人员在月球浅表层地质结构、月基天文观测以及地球等离子体观测等方面取得了一系列创新性科学研究成果。据不完全统计，在SCI、EI类国内外重要学术刊物上发表文章100余篇，重要成果相继发表在《科学》、《自然》和《美国科学院院刊》等国际顶级学术刊物上，带动了国际月球与行星科学研究和应用发展。（详情请见本刊2016年第1期）

嫦娥-4

在月面巡视探测的玉兔号月球车

2018年，我国将实施嫦娥-4落月任务，即2018年6月发射月球中继星，2018年年底发射嫦娥-4着陆器和巡视器。它有望实现三大壮举∶首次实现人类探测器造访月球背面；首次实现人类航天器在地月拉格朗日2点对地月中继通信；为科学工作者提供月球背面空间科学研究平台，获得一批重大的原创性科学研究成果。它将探索引入社会资本的新模式，并开展国际合作，征集月球探测载荷创意设计。

5　采样返回

我国月球采样返回探测是通过发射嫦娥-5试验器和嫦娥-5、6来实现的，现已发射了嫦娥-5试验器，超额完成了任务。

其工程目标是∶突破月表自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、地球大气高速再入、月球样品储存等关键技术，实现我国首次月面自动采样返回，并为载人登月和深空探测奠定基础。其科学目标是∶采集月球样品并返回地面，对返回样品进行系统的岩石学、矿物学同位素地质和地球化学的分析与研究，结合月面物质成分的分析数据，深化对月球和地月系统的起源与演化的认识。

嫦娥-5试验器

2017年，我国将执行嫦娥-5月球采样返回任务，即用返回舱把月球上的2kg样品带回地球进行精查。嫦娥-5返回器将以接近11.2km/s的第二宇宙速度返回再入大气层，这项技术十分复杂，无法通过地面模拟得到充分验证，所以是未来嫦娥-5月面采样、月面上升、月球轨道交会对接、再入返回四大关键技术中最难的一项，风险很大。为确保取样返回任务的精确完成，我国决定先发射嫦娥-5试验器，以掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术。

2014年10月24日，嫦娥-5试验器顺利升空。它先飞抵月球附近，然后自动返回地球，最终，试验器的返回器于11月1日采用半弹道跳跃式以接近第二宇宙速度再入大气层，在内蒙古四子王旗预定区域以伞降形式顺利着陆。这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球，使我国成为继苏、美之后，成功回收月球探测器的第三个国家。

由服务舱和返回器组成的嫦娥-5试验器拍照月球和地球示意图

嫦娥-5上升器离开月面示意图

该试验器由服务舱和返回器两部分组成，总质量为2t多，返回器安装在服务舱上部。服务舱以嫦娥-2绕月探测器平台为基础进行适应性改进设计，具备留轨开展科研试验功能；返回器为新研产品，采用钟罩侧壁加球冠大底构型，质量约330kg，具备返回着陆功能，与探月三期正式任务中的返回器基本一致。

它采用绕月自由返回轨道，在经过发射段、地月转移段、月球近旁转向段、月地转移段、返回再入段和回收着陆段6个阶段后，在内蒙古四子王旗着陆。

嫦娥-5试验器的返回器安全准确着陆在预定地点后，为了最大限度利用服务舱的能力，对嫦娥-5任务相关技术进行在轨试验验证，又用服务舱进一步开展了一些拓展试验∶①地月拉格朗日2点轨道飞行试验；②倾斜环月轨道近月制动飞行验证；③月球轨道交会对接远程导引飞行过程验证；④环月圆轨道演化特性和轨道环境探测；⑤服务舱搭载设备在轨试验等。

嫦娥-5

嫦娥-5采样返回器是我国探月工程三期的主任务，它由上升器、着陆器、轨道器、返回器四个部分组成，将于2017年在海南文昌航天发射场由长征-5新一代大型运载火箭发射升空，完成探月工程的重大跨越—带回月球样品。

6　结语

总的来讲，人类的月球探索分为探月、登月和驻月，即“探、登、驻”三大步。目前，美国已走完了前两步，未来将迈第三步，即建造可长期驻人的月球基地，如科研基地、能源基地等。苏联/俄罗斯走完了第一步，未来将迈第二步，即载人登月。由于经济不景气等原因，自1976年后，苏联/俄罗斯再没有发射过月球探测器。所以，在美、俄组成的世界探月第一集团中，美国是“领头羊”。

欧洲、日本、中国和印度等正在完成第一大步—探月，并按照“绕、落、回”三小步分步实施，逐渐积累知识和经验。目前，欧洲、日本、中国和印度都完成了绕月探测，中国还于2013年12月率先发射了嫦娥-3落月探测器，并于2014年10月发射了嫦娥-5试验器。由此可见，在欧洲、日本、中国和印度组成的世界探月第二集团中，我国现处在领先位置，并将在2017年率先发射月球采样返回器，2018年率先在月球背面着陆。今后，还有望率先在月球两极着陆，载人登陆月球，在月球建立基地。

诸葛/文

Development of Chang’e Project