科學家講述嫦娥落月“黑色720秒”的台前幕後

25日起，嫦娥三號月球探測器的着陸器和巡視器相繼進入月夜休眠，忙碌已久的航天人終於可以暫時鬆口氣，仔細梳理第一階段的各項科學探測和數據蒐集。記者來到中科院上海技術物理研究所，聽這裏的科學家們講述了嫦娥落月“黑色720秒”裏那些不為人知的台前幕後。

“黑色720秒”，是指“嫦娥三號”月球探測器從15公里高度降至月球表面的這12分鐘。之所以稱之為“黑色”，是因為足夠驚心動魄：重達3780公斤的嫦娥“三姑娘”，要完全依靠自主控制，完成降低高度、測距、測速、選擇着陸點、自由落體着陸等一系列動作。而在這期間，地面人工干預的可能性幾乎為零。

就在這地面航天人“手足無措”的720秒內，由中科院上海技術物理研究所研製的激光測距敏感器和激光三維成像敏感器發揮了至關重要的作用，它們既是“三姑娘”的“眼睛”，又是其成功落月的最大“功臣”。

“月球探測器的着陸過程需要核心解決三件事：一是高度與姿態的測量；二是發動機推力的控制；三是對100米懸停避障的測量和把控。”上海技術物理研究所研究員舒嶸介紹説。

激光測距敏感器，是着陸器上最早開機的設備，其主要作用是，在嫦娥飛入月球表面15公里軌道以後，全程監測“三姑娘”與月面的距離，並“兼職”算出其落月的速度，從而不斷完成動力下降階段對嫦娥“三姑娘”着陸姿態的控制，輔助其向着陸區降落。該儀器在嫦娥落月的過程中，每一秒就發射兩次激光，以此獲取精度在0.2米的月距高度。雖然操作原理一目瞭然、簡單易懂，然而在執行的過程中，科學家們還是碰到了不小的麻煩。

負責激光測距敏感器項目的研究員黃庚華回憶道，在預定着陸時間的前半個小時，激光測距敏感器就開機了，然而此時激光的光軸卻並未與月面建立垂直的關係，而是與着陸器一起以傾斜的姿態下降。“激光光束是‘擦着’月面斜射過去，很難測量出具體數據。站在指揮現場，遲遲看不到數據讓我們非常緊張。”黃庚華説，“那時，我們曾不斷向控制中心詢問，激光的光軸什麼時候才能轉過來？嫦娥的姿態什麼時候才能調整完畢？”

直到“三姑娘”下降到距月面35公里左右時，屏幕上“跳出”了“40公里”的數據，科學家們才鬆了一口氣。“這説明激光測距敏感器已通過斜距測量獲得了具體數據，設備整體工作狀態是正常的。”隨後，激光測距敏感器表現非常平穩，從15公里一直到15米，在高性能“倒車雷達”激光測距敏感器的精確“指引”下，“三姑娘”後來穩穩着陸。

解決了“嫦娥”降落高度與姿態的問題，還要解決“往哪裏落”的問題。“雖説嫦娥三號的預選着陸區——虹灣地勢相對平坦，但它的表面仍然存在高坡、隕石坑、大石塊等諸多不確定因素，所以精確避障極為重要。”中科院上海分院副院長、上海技術物理所研究員王建宇表示。

激光三維成像敏感器就承擔了為“三姑娘”精確避障、確定安全着陸區的“光榮使命”。負責激光三維成像敏感器項目的研究員徐衞明介紹説，“在預定着陸時間的前4分半鐘，激光三維成像敏感器開機，待嫦娥到達距月面100米的懸停位置正式開始工作。它的主要任務是採集月面的三維圖像，將高於20釐米的石頭或低於20釐米的坑識別出來，從而在一個長寬都是50米的區域內找出一個長寬都是10米的安全着陸區。”

與激光測距敏感器相比，激光三維成像敏感器發揮作用的時間非常短，在“黑色720秒”中只工作了大約4秒鐘：前0.25秒用來完成掃描成像，剩下的約3秒時間完成計算。“嫦娥在距月面100米的位置最長的懸停時間只有30秒，在這個過程中，激光三維成像敏感器只有3次拍照機會。幸運的是，我們第一次掃描就成功了，直接找出了合適的着陸區，通過一次自主實施平移，就順利避開了地面障礙物、從容着陸。”徐衞明高興地説。

“最後100米的落月環節風險最大、也是最不可控的。激光測距敏感器還有一次關機再開的機會，而激光三維成像敏感器如若出現問題，該功能將立即被放棄，嫦娥三號也只能直接降落，在這種情況下，無論底下什麼情況都沒辦法補救，所以我們最擔心這一環節。”舒嶸説，“這次探月，我們到達了一個前人完全沒有去過的‘未知’區域。月面的特性，例如隕石坑、高坡等，我們其實並不知道它們具體在哪裏。實際上，從後來傳回的照片可以看出，在着陸器正前方約10米的位置處就有一個很大的深坑。”(王琳琳)