嫦娥三號(hào)研制過(guò)程艱辛風(fēng)險(xiǎn)難控 攻克六大關(guān)鍵技術(shù)

解密嫦娥三號(hào)探測(cè)器

嫦娥三號(hào)探測(cè)器研制技術(shù)跨度之大，設(shè)計(jì)約束之多，攻關(guān)過(guò)程之艱辛，令很多參與任務(wù)的設(shè)計(jì)師刻骨銘心

文/《瞭望》新聞周刊記者陳澤偉

特約撰稿龐丹

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

《瞭望》新聞周刊記者走進(jìn)嫦娥三號(hào)探測(cè)器抓總研制單位——中國(guó)航天科技集團(tuán)空間技術(shù)研究院，了解嫦娥三號(hào)的方方面面。

重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三大目標(biāo)

從立項(xiàng)到發(fā)射，嫦娥三號(hào)探測(cè)器經(jīng)歷了5年9個(gè)月的艱難奮戰(zhàn)。

2008年3月，探月工程二期正式立項(xiàng)，嫦娥三號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)全面啟動(dòng)研制工作。相繼經(jīng)過(guò)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(kāi)展為期近三個(gè)月的發(fā)射場(chǎng)工作。2013年12月2日，萬(wàn)眾矚目的嫦娥三號(hào)一飛沖天，發(fā)射取得圓滿(mǎn)成功。

嫦娥三號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫澤洲介紹說(shuō)，嫦娥三號(hào)是我國(guó)首個(gè)在地球以外天體實(shí)施軟著陸和月面巡視勘察的航天器，將實(shí)現(xiàn)探月工程二期“落”的工程目標(biāo)，創(chuàng)造了我國(guó)航天史上的又一個(gè)第一。

與嫦娥一號(hào)、二號(hào)相比，嫦娥三號(hào)探測(cè)器主要包括巡視器和著陸器兩大部分——巡視器俗稱(chēng)月球車(chē)，由9個(gè)分系統(tǒng)組成；而著陸器是為了實(shí)現(xiàn)月面軟著陸專(zhuān)門(mén)量身定做的新型航天平臺(tái)，有11個(gè)分系統(tǒng)。

嫦娥三號(hào)探測(cè)器由運(yùn)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(dòng)力下降段等過(guò)程，飛行大約14天的時(shí)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(dú)立開(kāi)展月面探測(cè)工作。

嫦娥三號(hào)在飛行任務(wù)期間，將重點(diǎn)實(shí)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(cè)器和巡視探測(cè)器，建立地面深空站，具備月球軟著陸探測(cè)的基本能力；三是建立月球探測(cè)航天工程基本體系。此外，嫦娥三號(hào)還將開(kāi)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(cè)與月基天文觀(guān)測(cè)等四類(lèi)科學(xué)探測(cè)，對(duì)我國(guó)后續(xù)探月工作發(fā)揮重要作用，將有效促進(jìn)深空探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

研制艱辛風(fēng)險(xiǎn)難控

嫦娥三號(hào)探測(cè)器作為我國(guó)探月工程二期核心任務(wù)，技術(shù)跨度大，設(shè)計(jì)約束多。研制過(guò)程之艱辛，令很多參與任務(wù)的設(shè)計(jì)師刻骨銘心。

嫦娥三號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)總指揮張廷新介紹說(shuō)，嫦娥三號(hào)探測(cè)器具有“四新兩多兩難一緊”的鮮明特點(diǎn)。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(tái)；為新科學(xué)探測(cè)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(dòng)、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(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證的協(xié)作配套單位多。

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

“一緊”則體現(xiàn)在進(jìn)度緊，從立項(xiàng)到發(fā)射僅僅5年9個(gè)月，需完成從方案論證到初樣、正樣、發(fā)射場(chǎng)等各階段研制工作，以及相關(guān)的數(shù)十類(lèi)產(chǎn)品攻關(guān)、幾百臺(tái)/套單機(jī)、鑒定件等的研制生產(chǎn)，多次大型專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，研制進(jìn)度十分緊張。

作為我國(guó)首個(gè)在地球以外天體實(shí)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(hào)探測(cè)器任務(wù)成敗的最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在哪里？

“毫無(wú)疑問(wèn)，是月球以及它所帶來(lái)的月面環(huán)境的不確定性”，嫦娥三號(hào)著陸器副總師張熇介紹說(shuō)，“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(shí)，落月時(shí)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(lái)不可避免的風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)著陸器撞擊在月球表面上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射以及著陸過(guò)程的沖擊都將揚(yáng)起塵埃，這些激揚(yáng)的月塵不僅影響成敗，更會(huì)對(duì)著陸器造成一定的危害。”

此外，嫦娥三號(hào)探測(cè)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(dòng)、動(dòng)力下降過(guò)程，對(duì)飛行時(shí)序的要求很高，需要探測(cè)器飛行控制嚴(yán)格按時(shí)序執(zhí)行，否則將影響主任務(wù)的完成。

面對(duì)諸多風(fēng)險(xiǎn)，嫦娥三號(hào)研制團(tuán)隊(duì)早在初樣階段，就以風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別充分、鑒定驗(yàn)證充分、試驗(yàn)驗(yàn)證充分為重點(diǎn)，確保技術(shù)見(jiàn)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(shí)施”為重點(diǎn)，確保產(chǎn)品可靠、風(fēng)險(xiǎn)可控。為了確保在軌飛行過(guò)程中能及時(shí)準(zhǔn)確地定位故障，并在最短的時(shí)間內(nèi)完成故障應(yīng)對(duì)處理，研制團(tuán)隊(duì)從關(guān)鍵飛行事件和公用服務(wù)系統(tǒng)兩方面對(duì)故障模式進(jìn)行梳理，著陸器制定140余項(xiàng)預(yù)案，巡視器制定70多項(xiàng)預(yù)案，明確在軌故障的判定準(zhǔn)則和處置措施，為探測(cè)器飛控實(shí)施提供有力保障。

六大創(chuàng)新迎接挑戰(zhàn)

面對(duì)技術(shù)新、難度大、系統(tǒng)復(fù)雜等風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的巨大考驗(yàn)和一道道難關(guān)，嫦娥三號(hào)研制團(tuán)隊(duì)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(dòng)、月面巡視過(guò)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(dòng)機(jī)破解著陸減速難題。發(fā)射升空后，嫦娥三號(hào)向著月球一路飛奔，直到設(shè)計(jì)師精心選擇的動(dòng)力下降點(diǎn)。此時(shí)，如果繼續(xù)飛速前進(jìn)，嫦娥三號(hào)在著陸時(shí)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(lái)。

眾所周知，月球表面無(wú)大氣。所以，嫦娥三號(hào)無(wú)法利用氣動(dòng)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(guò)程中探測(cè)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(guò)程可控，研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，提出“變推力推進(jìn)系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)方案，研制出推力可調(diào)的7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)多次點(diǎn)火試車(chē)和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)師介紹，探測(cè)器動(dòng)力下降過(guò)程是一個(gè)時(shí)間較短、速度變化很大的過(guò)程，無(wú)法依靠地面實(shí)時(shí)控制。對(duì)此，GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的敏感器，進(jìn)行對(duì)月測(cè)速、測(cè)距和地形識(shí)別，確保了探測(cè)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(cè)器著陸在月面時(shí)，著陸器撞擊月面會(huì)形成較大的沖擊，巨大的沖擊力不僅可能造成探測(cè)器出現(xiàn)翻倒的可能，而且會(huì)激揚(yáng)起月塵，對(duì)著陸器造成一定危害并影響任務(wù)成敗，同時(shí)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(lái)了困難。對(duì)此，研制團(tuán)隊(duì)充分考慮了月壤物理力學(xué)特性對(duì)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(jì)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(cè)器實(shí)施軟著陸過(guò)程中，在一定姿態(tài)范圍內(nèi)不翻倒、不陷落，并為探測(cè)器工作提供牢固支撐。

全球首創(chuàng)熱控技術(shù)確保月面生存。月球表面光照條件變化大，晝夜溫差超過(guò)300℃，白晝時(shí)溫度高達(dá)120℃，黑夜時(shí)溫度急劇下降到-180℃。在長(zhǎng)達(dá)地球14天的晝、夜里，探測(cè)器面臨著月晝高溫下的熱排散問(wèn)題和月夜沒(méi)有太陽(yáng)能可利用情況下如何保證溫度環(huán)境的問(wèn)題。為了能夠應(yīng)付極端溫度條件下的惡劣環(huán)境，嫦娥三號(hào)利用同位素?zé)嵩矗⒉捎萌蚴讋?chuàng)的熱控兩相流體回路以及此前從未在星上用過(guò)的可變熱導(dǎo)熱管，攻克月面生存的難題。

巡視器移動(dòng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)解決月面移動(dòng)難題。月面覆蓋著厚度不等的月壤層，并存在大小不等的月坑和巖石，其物理力學(xué)特性和月表地形都與巡視器移動(dòng)性能直接相關(guān)，如何選擇移動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)形參數(shù)，開(kāi)展地面移動(dòng)性能試驗(yàn)，在月面環(huán)境下保證正常工作，都是巡視器總體設(shè)計(jì)必須破解的問(wèn)題。對(duì)此，巡視器在總體設(shè)計(jì)之初，就選取了六輪式、搖臂懸架方案，并經(jīng)特殊設(shè)計(jì)和有關(guān)地面移動(dòng)性能試驗(yàn)、內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)等，具備前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向以及爬坡、越障能力，解決月面移動(dòng)的難題。

月面巡視自主導(dǎo)航與遙操作控制為巡視勘察掃清障礙。為了能夠在非結(jié)構(gòu)復(fù)雜月面環(huán)境中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離行駛，安全到達(dá)指定位置，并保障自身的安全和穩(wěn)定工作，巡視器通過(guò)自主導(dǎo)航控制解決月面環(huán)境感知、障礙識(shí)別、局部路徑規(guī)劃及多輪運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制的難題。

此外，由于巡視器月面運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)器地交互、地面持續(xù)支持的過(guò)程，與以往航天器在軌測(cè)控工作模式有著明顯的不同。設(shè)計(jì)一種與巡視任務(wù)相匹配的在軌運(yùn)行操作新模式是必須解決的難題。對(duì)此，研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次計(jì)算、論證、試驗(yàn)，終于開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足巡視任務(wù)的地面任務(wù)支持與遙操作系統(tǒng)，為巡視器順利開(kāi)展月面巡視勘察任務(wù)掃清障礙。□