嫦娥三號研製過程艱辛風險難控 攻克六大關鍵技術
解密嫦娥三號探測器
嫦娥三號探測器研製技術跨度之大，設計約束之多，攻關過程之艱辛，令很多參與任務的設計師刻骨銘心
文/《瞭望》新聞週刊記者陳澤偉
特約撰稿龐丹
隨着嫦娥三號任務的開啓，人們的目光又一次聚焦中國航天。作為我國首個在地球以外天體實施軟着陸和月面巡視勘察的航天器，嫦娥三號探測器由哪幾部分組成？與其他衞星相比有什麼特點？技術創新點有哪些？面臨的風險是什麼？
《瞭望》新聞週刊記者走進嫦娥三號探測器抓總研製單位——中國航天科技集團空間技術研究院，瞭解嫦娥三號的方方面面。
重點實現三大目標
從立項到發射，嫦娥三號探測器經歷了5年9個月的艱難奮戰。
2008年3月，探月工程二期正式立項，嫦娥三號探測器系統全面啓動研製工作。相繼經過了方案論證、初樣和正樣研製階段，並於2013年9月初，奔赴西昌衞星發射中心，開展為期近三個月的發射場工作。2013年12月2日，萬眾矚目的嫦娥三號一飛沖天，發射取得圓滿成功。
嫦娥三號探測器系統總設計師孫澤洲介紹説，嫦娥三號是我國首個在地球以外天體實施軟着陸和月面巡視勘察的航天器，將實現探月工程二期“落”的工程目標，創造了我國航天史上的又一個第一。
與嫦娥一號、二號相比，嫦娥三號探測器主要包括巡視器和着陸器兩大部分——巡視器俗稱月球車，由9個分系統組成；而着陸器是為了實現月面軟着陸專門量身定做的新型航天平台，有11個分系統。
嫦娥三號探測器由運載火箭發射升空後，經發射段、地月轉移段、環月段和動力下降段等過程，飛行大約14天的時間，將以軟着陸的方式降落在月球虹灣地區；之後，着陸器釋放巡視器；兩器分離後，各自獨立開展月面探測工作。
嫦娥三號在飛行任務期間，將重點實現三大工程目標，一是突破月球軟着陸、月面巡視勘察等關鍵技術，提升航天技術水平；二是研製月球軟着陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站，具備月球軟着陸探測的基本能力；三是建立月球探測航天工程基本體系。此外，嫦娥三號還將開展月表形貌和地質構造調查、月表物質成分及其可利用資源的調查、日-地-月空間環境探測與月基天文觀測等四類科學探測，對我國後續探月工作發揮重要作用，將有效促進深空探測領域的發展。
研製艱辛風險難控
嫦娥三號探測器作為我國探月工程二期核心任務，技術跨度大，設計約束多。研製過程之艱辛，令很多參與任務的設計師刻骨銘心。
嫦娥三號探測器系統總指揮張廷新介紹説，嫦娥三號探測器具有“四新兩多兩難一緊”的鮮明特點。其中，“四新”是指面臨月面温度、月塵、月壤、月面地形地貌等新環境；鑑定設備佔80%以上的全新研製平台；為新科學探測配備的全新載荷設備以及工作關係耦合度高、產品集成度高的新模式。
“兩多”主要是以着陸導航敏感器、熱控兩相流體迴路、巡視器月面移動、巡視器遙操作等為代表的新技術多，且技術跨度大；參與研製、設計及試驗驗證的協作配套單位多。
“兩難”體現在地面驗證難，特別是由軟着陸特點決定的整器減重難。
“一緊”則體現在進度緊，從立項到發射僅僅5年9個月，需完成從方案論證到初樣、正樣、發射場等各階段研製工作，以及相關的數十類產品攻關、幾百台/套單機、鑑定件等的研製生產，多次大型專項試驗驗證，研製進度十分緊張。
作為我國首個在地球以外天體實施軟着陸的航天器，與以往的任何衞星任務相比，影響嫦娥三號探測器任務成敗的最大風險點在哪裏？
“毫無疑問，是月球以及它所帶來的月面環境的不確定性”，嫦娥三號着陸器副總師張熇介紹説，“從已掌握的資料看，月球表面覆蓋着一層由月面岩石碎屑、粉末、角礫等組成的月壤，而這層土壤又非常鬆軟，且崎嶇不平；同時，落月時具體的月面地形地貌也不能完全確定，這些為安全着陸帶來不可避免的風險。而當着陸器撞擊在月球表面上時，發動機的噴射以及着陸過程的衝擊都將揚起塵埃，這些激揚的月塵不僅影響成敗，更會對着陸器造成一定的危害。”
此外，嫦娥三號探測器採用了許多新技術，產品子樣少，產品成熟度低；而飛行程序又非常複雜，特別是近月制動、動力下降過程，對飛行時序的要求很高，需要探測器飛行控制嚴格按時序執行，否則將影響主任務的完成。
面對諸多風險，嫦娥三號研製團隊早在初樣階段，就以風險識別充分、鑑定驗證充分、試驗驗證充分為重點，確保技術見底；轉入正樣後，又提出以“把握關鍵環節、全面量化控制、精細操作實施”為重點，確保產品可靠、風險可控。為了確保在軌飛行過程中能及時準確地定位故障，並在最短的時間內完成故障應對處理，研製團隊從關鍵飛行事件和公用服務系統兩方面對故障模式進行梳理，着陸器制定140餘項預案，巡視器制定70多項預案，明確在軌故障的判定準則和處置措施，為探測器飛控實施提供有力保障。
六大創新迎接挑戰
面對技術新、難度大、系統複雜等風險帶來的巨大考驗和一道道難關，嫦娥三號研製團隊先後攻克了着陸減速、着陸段的自主導航控制、着陸衝擊的緩衝、月面熱控保障、月面移動、月面巡視過程的自主導航與遙操作控制等六大方面的關鍵技術。
變推力發動機破解着陸減速難題。發射升空後，嫦娥三號向着月球一路飛奔，直到設計師精心選擇的動力下降點。此時，如果繼續飛速前進，嫦娥三號在着陸時就可能一頭撞在月球上，造成難以想象的後果。因此，必須讓她慢下來。
眾所周知，月球表面無大氣。所以，嫦娥三號無法利用氣動減速的方法着陸，只能靠自身推進系統減小速度，在此過程中探測器還要進行姿態的精確調整，並逐步減速以便在預定區域安全着陸。為了保證着陸過程可控，研製團隊經過反覆論證，提出“變推力推進系統”的設計方案，研製出推力可調的7500N變推力發動機，經過多次點火試車和相關試驗驗證，破解了着陸減速的難題。
GNC系統新技術助力着陸段自主導航控制。據着陸器GNC(制導導航與控制)系統主任設計師介紹，探測器動力下降過程是一個時間較短、速度變化很大的過程，無法依靠地面即時控制。對此，GNC系統設計了專門的敏感器，進行對月測速、測距和地形識別，確保了探測器在着陸段自主制導、導航與控制。
着陸緩衝系統為軟着陸提供牢固支撐。當探測器着陸在月面時，着陸器撞擊月面會形成較大的衝擊，巨大的衝擊力不僅可能造成探測器出現翻倒的可能，而且會激揚起月塵，對着陸器造成一定危害並影響任務成敗，同時由於月球表面覆蓋着一層鬆軟且崎嶇不平的月壤，這些都給着陸帶來了困難。對此，研製團隊充分考慮了月壤物理力學特性對着陸衝擊、穩定性的影響以及月塵的理化特性等，採用特殊的材料、設計和工藝，研製出全新的着陸緩衝系統，解決了上述難題，確保探測器實施軟着陸過程中，在一定姿態範圍內不翻倒、不陷落，併為探測器工作提供牢固支撐。
全球首創熱控技術確保月面生存。月球表面光照條件變化大，晝夜温差超過300℃，白晝時温度高達120℃，黑夜時温度急劇下降到-180℃。在長達地球14天的晝、夜裏，探測器面臨着月晝高温下的熱排散問題和月夜沒有太陽能可利用情況下如何保證温度環境的問題。為了能夠應付極端温度條件下的惡劣環境，嫦娥三號利用同位素熱源，並採用全球首創的熱控兩相流體迴路以及此前從未在星上用過的可變熱導熱管，攻克月面生存的難題。
巡視器移動設計與試驗解決月面移動難題。月面覆蓋着厚度不等的月壤層，並存在大小不等的月坑和岩石，其物理力學特性和月表地形都與巡視器移動性能直接相關，如何選擇移動系統構形參數，開展地面移動性能試驗，在月面環境下保證正常工作，都是巡視器總體設計必須破解的問題。對此，巡視器在總體設計之初，就選取了六輪式、搖臂懸架方案，並經特殊設計和有關地面移動性能試驗、內外場試驗等，具備前進、後退、原地轉向以及爬坡、越障能力，解決月面移動的難題。
月面巡視自主導航與遙操作控制為巡視勘察掃清障礙。為了能夠在非結構複雜月面環境中實現遠距離行駛，安全到達指定位置，並保障自身的安全和穩定工作，巡視器通過自主導航控制解決月面環境感知、障礙識別、局部路徑規劃及多輪運動協調控制的難題。
此外，由於巡視器月面運行過程是一個器地交互、地面持續支持的過程，與以往航天器在軌測控工作模式有着明顯的不同。設計一種與巡視任務相匹配的在軌運行操作新模式是必須解決的難題。對此，研製團隊經過無數次計算、論證、試驗，終於開發出滿足巡視任務的地面任務支持與遙操作系統，為巡視器順利開展月面巡視勘察任務掃清障礙。□