嫦娥3号创奔月新高度 揭密如何执行探月任务

嫦娥三号是中国月球探测计划内的第三次月球探测任务。目标是在月球表面软着陆，并部署一辆月球车，探索着陆地点周围的区域。嫦娥三号任务由中国国家国防科学技术工业局领导，探测器的主要承包商是中国航天技术研究院。中国航天技术研究院还与上海航空航天系统工程研究所签订了合同，设计和开发该航天器。

嫦娥三号是中国月球计划第二阶段的一部分，总计划包括绕地球运行、着陆和返回地球。在此之前，嫦娥1号和嫦娥2号分别在2007年和2010年成功执行任务。

嫦娥三号是中国第一辆月球车，也是自1976年苏联露娜任务之后37年来第一辆软着陆月球的航天器。嫦娥三号任务以神话中的月亮女神嫦娥命名，是继嫦娥1号(2007年10月24日发射)和嫦娥2号(2010年10月1日发射)月球轨道器之后命名的。

嫦娥三号月球探测器由两个模块组成：月球着陆器和月球表面探测车，而科学载荷大多集成在玉兔月球车上。着陆器和漫游者的总发射重量约为3800公斤。总体来说着陆器重1200公斤，月球车的重量约为120公斤，着陆器和漫游者都配备了科学有效载荷。

奔月新高度——嫦娥三号

嫦娥三号着陆器和漫游者携带的科学载荷将用于研究月球及近地空间环境。嫦娥三号能源由放射性同位素热电发电机RTG提供，月球着陆器配备了RTG组件，可在一年的运行时间内供电。另外，嫦娥三号着陆器采用太阳能电池板和RTG进行组合发电。

为了让嫦娥三号顺利在月球表面完成任务，热控制子系统起到了很重要的作用。月球表面环境十分恶劣，白天和夜晚轮班倒一次需要花费地球上14天的时间，地表温度从夜间的零下175℃到白天100℃以上的温度不等。嫦娥3号采用主动式和被动式热控制系统相结合的方式保持科学载荷温度，多层绝缘结构覆盖着陆器的大部分，以保护它免受太阳的过度加热。

为了执行软着陆，嫦娥三号着陆器的主要推进系统需要有减速能力。此外，嫦娥3号还需要一个次级推进系统和一个姿态控制系统，用于小轨迹修正和飞行器姿态控制。对于动态着陆机动，嫦娥三号姿态控制系统还具有快速响应姿态驱动指令的设计。

嫦娥三号配备了一台主发动机，这是中国第一台可以在太空应用的发动机，高比冲发动机会采用针式流量调节装置调节推力输出。嫦娥三号采用大体积比喷管，对发动机在真空条件下的运行进行了优化。发动机可以提供1500到7500 N的推力，足以在月球六分之一的引力环境中升降。

除了其主要推进系统，嫦娥三号着陆器还具有推进姿态控制系统，由28个推进器组成，这些推进器安装在较小的侧板上，允许三轴控制。该系统使用150 N和10 N推进器组合设计。着陆器具有八对推进器模块，每一对包括两个150 N和一个10 N推进器，最后还有四个10N推进器分别安装在较小的侧板上。

嫦娥三号如何着陆呢?在着陆过程中，嫦娥三号着陆器是从月球表面以上4米的高度下降的，这需要在着陆器上设置缓冲着陆系统，才能实现软着陆。

着陆系统一个重要的部分是着陆腿结构，嫦娥三号采用四个主要的着陆腿结构，配备合成材料垫，以避免下坠到地面对内部载荷的震荡。科学家利用以前的着陆器设计和有关月球尘埃特性的知识，开发了一个在最大限度稳定同时最小化质量的着陆系统。

着陆腿和保险杠双结构可以提供减震能力，支架安装在着陆器结构成30°角度的地方。多功能二次支柱连接到着陆腿上，以提供着陆器本体额外的连接点。另外嫦娥3号在月球表面实现完全自主着陆，不需要接收任何来自地球的导航数据。为了准确地找到着陆点并进行软着陆，着陆器配备了许多导航系统。

除了着陆腿设计之外，嫦娥三号的着陆系统包括大动态范围激光测距系统LRS和微波距离传感器，它们都会提供距离和速度测量数据供核心处理器分析，当飞行器到达月球表面上一定的高度和方向时，微波距离传感器就会变得活跃起来。

一旦到达月球表面约100米的悬停阶段，着陆器将开始使用它的下降相机获取图像。计算机将使用一种新开发的障碍识别算法观察(利用光学图像和三维高程数据)。在最后下降时，着陆器使用GRA伽马射线高度计为飞行器提供精确高度数据。

玉兔的质量约为120公斤，其中有效载荷为20公斤。它的特点是有一个桅杆结构，方便月球车进行导航相机和通信天线的工作。

月球车使用两个矩形太阳能电池板发电，月球车在白天的两个星期内工作，在这两个星期之内，玉兔需要为其电池充电以度过漫长的月夜。在月夜睡眠模式下，月球车功能基本被关闭，只运行核心功能，如健康监测和为生存加热器供电。

嫦娥三号任务中的科学担当——玉兔

嫦娥三号玉兔能爬20度的坡度，并能在20厘米大小的障碍物上行驶。总体上来说该月球车其总行驶距离可达10公里，性能优异。在算法导航方面，月球车使用了一种名叫Delaunay算法，该算法会使用立体图像分析工具，实时分析导航然后进行避险，相机会先获取图像然后进行集中分析。

玉兔上有一个名叫Mast的摄像头，MastCAM是由中国科学院光学与电子研究所研制的。相机位于着陆器桅杆顶部，用于获取着陆区域的光学照片，测量着陆区的地形和地质特征。相机还将监控月球车在月球表面的运动，具有多色成像能力。它可以拍摄照片和视频，自动调整调焦，并有能力将散射光图像压缩的更小。

除了MastCAM之外，玉兔还有一个名叫PanCAM的摄像机，PanCAM是由中国科学院西安光学研究所开发的。PanCAM位于玉兔的顶部，其目的是辅助MastCAM获取月球表面的三维图像，测量目标区域内的地形、地质特征和陨石坑。它还可以监测着陆器的运行状况。

PanCams采用简化的光学系统和高度小型化的设计，其光学系统的调焦可以在3米至无穷大之间工作，具有自动和远程调焦功能，能够自动调整视野亮度。

探地雷达是由中国科学院电子研究所开发的。该仪器安装在玉兔的底部。探地雷达的目的是测量月球土壤和地下岩层的结构分布。探地雷达有两个通道：第一频道的工作频率为60兆赫，用于探测地下地质特征，其最大深度大于100米;第二频道的工作频率为500兆赫，用于探测月球土壤深度，分辨率超过30厘米，最大深度大于30米。其主要系统由雷达控制器、通道天线和发射机、电缆组成。

相辅相成的嫦娥三号月球着陆器

VNIS，VIS/NIR成像光谱仪

VNIS是由上海技术物理研究所开发的。VNIS的目的是在可见和近红外波段通过成像和光谱法对月球表面的组成和资源进行原位测量。VNIS位于着陆器底部下，它采用了射频驱动的可调谐超声波光谱的概念，这是一种新设计的超声波发生器，另外该光谱仪具有防积尘和在轨校准功能。

阿尔法粒子X射线光谱仪

APXS是由中国科学院高能物理研究所开发的。目的是通过观测岩石上α粒子轰击产生的散射X射线，来测量月球表面各种元素的组成和分布。APXS的功能有很多，比如主动粒子散射、月球表面元素的原位测定、在轨校准和距离测量等。

着陆器下降相机是由中国航天技术研究院北京航天机电研究所研制的。位于着陆器底部的下降相机会拍摄着陆区域的光学照片，用于测量高度在4至2公里之间着陆区的地形和地质特征。它具有高度小型化设计，重量轻，体积小，能耗低，性能好是它的特点。相机使用CMOS检测器和高速静态灰度图像处理技术进行压缩。

月球紫外观测设备LUT

LUT是由中国国家天文观测站和中国科学院开发的，LUT可以在月球上利用紫外线观察选定的天体和天空区域。其主要系统是望远镜机身、镜架、反射镜和望远镜架，电缆和控制系统。这是有史以来第一次从其他行星天体表面进行长时间天文观测。LUT高度自动化，可以瞄准和指向各种目标。

EUV，极限紫外成像仪

长春市光学研究所开发了EUV成像仪。EUV位于着陆器顶部，将在极端紫外线区域提供地球电离层的图像，EUV还会对电离层研究进行调查。它可以自动跟踪地球，对来自地球电离层的散射和紫外辐射进行长期图像监测。操作波长为30.4 nm，约为可见光的1/20，视场为15，区域覆盖约7.5地球直径。这是第一台从月球表面运行的极限紫外线相机，其主要系统是极端紫外多膜光学成像系统、极端紫外光子计数传感器、信号处理单元、指向控制系统和主控单元。

未来的嫦娥

嫦娥三号任务是我国探月总计划中的一个重要阶段，我国科学家制造的嫦娥三号不仅在月球软着陆成功，还在着陆后拍摄了很多清晰照片，记录了很多月球表面的土壤和岩石数据，为将来的嫦娥任务打下了基础。

在这之外，嫦娥三号在着陆控制，热控制系统，光学观测以及避障算法等等方面都有了巨大的进步，这的确是嫦娥计划中浓墨重彩的一笔。更难能可贵的是嫦娥三号任务中的所有科学数据和科学载荷照片全部开放，这让我们了解到科学无国界的重要性。

相信未来的嫦娥任务可以续写嫦娥三号的奔月辉煌。

关键词： 嫦娥3号 探月任务