中国最复杂的月球探测器航天器.doc

中国最复杂的月球探测器航天器2008年，嫦娥三号月球软着陆探测器工程正式立项，经过将近5年的研制于2013年8月底出厂，并在9月中旬租用安124大型运输机运抵西昌，开始在西昌卫星发射中心进行发射前的最后检查工作。嫦娥三号的任务简介在嫦娥三号立项的同时，日本和印度也启动了月球软着陆探测计划，辉夜姬-2和月船二号都曾预定2013年前后发射，但辉夜姬-2由于预算不足已将发射推迟到2018年，月船二号由于俄罗斯无法及时提供着陆器，印度不得不转而自行研制，也要推迟到至少2017年。同期Google公司提供资金启动了Google Lunar XPRIZE的探月活动，但目前仍在参与的25个小组没有一个能在2013年进行发射，甚至未必有人能在已经2015年的最后期限前进行登月。除了亚洲三国官方项目和Google的商业竞赛队伍，俄罗斯和欧空局也计划未来发射月球着陆探测器，尤其是俄罗斯也将再次进行“绕落回”三阶段月球探测，新一轮的月球探测浪潮正在如火如荼的展开。我国探月工程二期的总体目标是实现月球表面的软着陆，并释放月球车进行自动巡视勘察工作。嫦娥三号作为探月工程二期的核心，由一个着陆器和一个月球漫游车组成，总质量约3.7吨，将由长征三号乙增强型火箭发射直接打入地月直接转移轨道，在月球上空100千米处进行近月捕获机动，进入100千米高度的圆形绕月轨道，随后变轨进入15千米X100千米高度的椭圆轨道，并在15千米的近月点减速进行软着陆操作。嫦娥三号软着陆后，着陆器和漫游车将联合进行一系列探测任务，更深入的了解月壤和岩石等地形地貌和地质构造信息，为后续三期工程的月球取样返回探测器积累数据和经验。嫦娥三号在设计上要比基于DFH-3通信卫星平台的嫦娥一号和嫦娥二号月球轨道器复杂得多，堪称我国迄今为止设计制造的最复杂、技术难度最大的航天器之一。突破月球软着陆技术是嫦娥三号的核心任务之一，为了实现成功落月，嫦娥三号探测器借鉴了美苏过去几十年里月球软着陆探测的经验教训，根据我国技术和工程能力做了精心的设计，在软着陆发动机以及制导导航与控制技术方面可谓煞费苦心。阿波罗飞船登月舱，嫦娥三号虽然不具备返回功能，但在任务复杂性上已经大大超过了以往的国产航天器。前苏联月球16号登月探测器模型，第一个具备返回能力的地外无人探测器。热测试时拍摄的嫦娥三号，着陆器底部可见主发动机喷口，发动机具有15007500牛变推力功能，满足落月过程中精确控制的需要。嫦娥三号装有先进变推力发动机嫦娥三号的软着陆，首先要提到的是它的动力系统。不同于嫦娥一号和二号使用的固定推力的490牛发动机，嫦娥三号使用了先进的大推力变推力发动机。这一方面是由于嫦娥三号质量大增，单台490牛发动机无法支持探测器的垂直降落，但更主要的是为了灵活调节在软着陆下落过程中的推力。嫦娥三号使用了我国航天动力研究院专门研制的15007500牛变推力发动机作为推进系统的主发动机，这台变推力发动机不仅用于嫦娥三号的软着陆任务，还将用于完成嫦娥三号直接奔月轨道飞行期间的中途修正、近月制动和变轨任务。按照预定程序，嫦娥三号在100千米高度圆形绕月轨道运行数圈稳定状态后，变推力发动机将择机点火，使嫦娥三号减速进入100千米×15千米椭圆形轨道，但嫦娥三号在15公里近月点时仍有高达1.6千米/秒的高速度。所以变推力发动机在15千米近月点要再次点火，并进行较长时间的持续工作，将嫦娥三号的水平速度快速降低，当嫦娥三号高度降低到2千米左右时，其水平速度将降低到0千米/秒。随后，姿控发动机将嫦娥三号姿态从底部朝前调整为底部朝下，开始进入垂直受控下落阶段。嫦娥三号将在变推力发动机的反推下逐渐下落，在距离月面100米高度进行悬停，通过星载的着陆相机拍摄月面地貌，智能选取合适的着陆场区。嫦娥三号最后下降到4米高度后，变推力发动机先将垂直速度降低到0米/秒，随后关机，嫦娥三号以自由落体降落在月球表面。可见，嫦娥三号的软着陆过程非常复杂，变推力主发动机在其中起到了至关重要的作用，是嫦娥三号研制的主要难点之一。嫦娥二号任务时拍摄了分别率达1.3米级的月球虹湾区三维影像，为嫦娥三号的着陆任务落点选择提供了很大帮助。嫦娥三号可智能自主选择着陆区嫦娥二号拍摄了虹湾地区1.3米分辨率的高精度影像，为嫦娥三号的落区选择提供了很大帮助，但这还远不能保证嫦娥三号的成功落月。因此，嫦娥三号探测器还携带了测速测距雷达、降落相机、激光测距仪等探测设备，配合先进的导航控制系统，确保软着陆过程的安全。按照设计要求，嫦娥三号要具备识别8度以上陡坡的能力，并识别高度大于0.2米的凸起物，据此避开崎岖月面选择一块大于10米X10米范围的安全落区。根据避障要求，嫦娥三号下落过程中还要进一步细分飞行阶段，其中距离月面2千米到100米的接近段，属于粗略障碍检测和规避阶段，嫦娥三号上的着陆相机将拍摄预定登陆地区，避开大块不平坦的地形和较大的障碍物，选择边长100米以上范围的安全着陆区域。100米到30米高度，属于精细避障下落阶段，这个阶段将先在100米高度悬停，垂直拍摄分辨率更高的影像，据此选择安全的着陆地点，随后向选定的着陆点移动。30米高度以下为慢速下降段，嫦娥三号探测器将缓慢下降，最后由星载的伽马射线高度计在预定高度给出关机信号，最后自由落体降落到月球表面。按照设计要求，嫦娥三号与月面接触时，水平速度要小于1米/秒，探测器垂直方向姿态与重力方向夹角小于3度。嫦娥三号携带的月球车，为保证月球车在月面夜间的极端低温中不被冻坏，月球车上安装了同位素热源用于夜间内部设备恒温。月球车可探测月表下100米深度结构在着陆后，嫦娥三号探测器将由着陆器和月球车联合进行科研考察，其中着陆器携带7台科学仪器，月球漫游车携带8台仪器，着陆器和月球车将联合对着陆区附近地形地貌和地质构造进行详查。嫦娥三号着陆器携带的载荷包括全景相机、降落相机、工程载荷、月壤探测仪、近紫外望远镜和极紫外望远镜等设备，其中近紫外望远镜将用于开展月基天文研究，也是国际上首次使用月基望远镜对重要天体光变进行长期连续监测，它还将用于对银河系进行成像，成像素材不仅用于科研，还将用于天文科普教育工作。着陆器上的极紫外相机将用于监测地球的电离层，探测地球环境的变化，这样的科研观测同样是国际首创。嫦娥三号的月球车具有最大爬坡30度、最大越障0.25米的能力，它将在着陆器3平方千米范围内活动，最长行走距离可达10千米左右。月球车具备信号发射能力，探测到的月球数据既可通过着陆器转发，也可直接由月球车发回地球测控站。月球车携带的载荷包括全景相机、测月雷达、粒子激发X射线谱仪和红外光谱仪等探测设备，利用全景相机它可以识别前方3米的地貌，不仅用于完成地貌探测任务，还可作为地形数据用于巡视器的自动拐弯、自动避障和自动导航操作。尤其是巡视器还安装了超宽带测月雷达可对月表一下100200米深度的地下结构进行探测，这是月球探测史上的创举，将对月球次表层探测工作做出中国独有的贡献。由于月球昼夜长达17天，漫长的月夜可让月面温度降低至零下183度。为了让月球车能渡过如此苛刻的严寒，我国科学家还在月球车上安装了放射性同位素热源，以维持一定温度保证月球车不被“冻僵”，能在月夜结束后“唤醒”继续工作。这是我国首次将核能用于航天器。美国好奇号火星车降落时，轨道上的火星侦察轨道器实时拍摄着陆的震撼场面。对公众来说是非常好的宣传。中国航天还应注意公众公关嫦娥三号不仅是我国迄今为止设计最精密复杂的航天器，它还是人类自1976年苏联Luna 24探测器以后发射的第一个月球软着陆探测器。无论是平台本身、还是所搭载的科研探测仪器，嫦娥三号都可以说是现有最先进的月球探测器。但嫦娥三号的缺点在于过于实在，不设轨道舱，就无法拍摄其落月时复杂而精彩的机动过程。花了大力气做到世界第一，却无法充分表现出来，这未免过于吃亏。月球探测、深空探测目前仍缺乏实际意义，所以外国此类项目都非常注重宣传，拍下大量精美图片及视频，以激发公众对外太空探索的热情，最大限度争取支持。前述日本辉夜姬2和印度月船二号落月探测器就都设置了轨道舱。所以，中国航天还应注意改变埋头搞科研的传统思路，才能在社会思潮多样化的今天争取更多公众支持。结语从着嫦娥三号的配置上看，其他宇航先进国家有的技术，嫦娥三号上都不缺，而且中国工程师们还为嫦娥三号增加了一些前人没有从事过的任务。作为冷战结束后多年来首个造访月球表面的航天器，中国航天界算是交出了一份令人满意的答卷。