嫦娥3号成功落月 新技术保驾护航
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按照计划，今晚9时40分左右，嫦娥三号探测器将从距月面15千米的近月点以抛物线的路线开始动力下降，相对速度从每秒1.7公里逐渐降为零，且历经两次悬停。整个着陆过程约为720秒，即12分钟。这12分钟被称为整个嫦娥三号任务中最惊心动魄的环节。因为在12分钟内人工测控无法跟上，探测器只能按照预定程序，完全依靠自主导航控制，完成减速、降低高度、确定着陆点、软着陆等一系列关键动作。在落月的过程中通过激光测距敏感器和微波测距测速敏感器，嫦娥三号可对相对位置和速度进行高精度测量；通过激光三维成像敏感器，嫦娥三号可探测待着陆区较小的障碍。记者从探测器的诞生地——中国航天科技集团了解到，为了这惊心动魄的720秒，中国的科技工作者打造了四大利器。 利器一：GNC系统 为落月找路 720秒内无法人工干预，探测器落月靠的是基于对月测速、测距和地形识别的GNC系统。嫦娥三号GNC分系统主任设计师梁俊告诉记者，GNC是制导、导航、控制三个词的缩写。导航可以让探测器知道自己所在的位置，制导可以规划路径，控制就是根据探测器的位置，按照目标完成着陆任务。GNC具有感知功能，可以“看”到月面的情况，测量到落月过程中探测器的姿态、速度、与月面的距离等，同时把各种信息汇集到中心计算机进行处理，再根据事先设定好的落月要求，对探测器进行控制。通过“看见”、测量、计算处理、控制执行，来指挥探测器落月。
嫦娥三号落月 解放军电子工程学院教授胡以华研制的激光高度计，为嫦娥装上了“千里眼”，将助力嫦娥三号实时精确测距，准确抵达月球。 出生于怀宁的胡以华曾参与研制成功月球探测卫星激光高度计，实现了我国空间遥感激光探测技术与系统研制重大突破。从嫦娥一号开始，激光高度计就成为嫦娥的“千里眼”，还曾配合4D相机为月球绘制全世界第一张高分辨率主体成像图。胡以华介绍，软着陆必须实时精确测距，激光高度计能帮助嫦娥顺利登月。 美国“阿波罗”载人登月计划中，“阿波罗”是依靠宇航员的眼睛识别月面障碍的。而嫦娥三号是无人软着陆，因此探测器需要具有自主障碍识别能力。为此，GNC团队研制了激光三维成像敏感器，用来代替人眼，在距离月面较近时获得待着陆区域精确的三维高程图信息，可精确分辨月面上比较小的障碍。同时，在距离月面较远时还增加了一个光学成像敏感器，用于在较大范围内识别较大尺寸的障碍。这样一套远近结合、粗精并用的接力避障策略，大大提高了着陆的安全性。 GNC系统包括数十台单机、几十套软件，研制团队成员大都是博士。为了落月到12分钟，GNC系统进行了上万次数学仿真、成百上千次桌面联试，以及模拟月球重力环境和月表地形地貌，发动机点火，与真实的GNC系统相配合进行的多次大型地面试验，这样的试验力度“史上空前”。 利器二：发动机 6万秒测试只为1200秒飞行 嫦娥三号探测器上一共有29台发动机，其中，“7500牛变推力发动机”直接决定着嫦娥三号奔月与落月的成败，且没有备份。月球表面没有空气，无法使用降落伞等空气摩擦产生阻力的方式对探测器进行减速。因此减速的实现只能依靠变推力发动机。 7500牛变推力发动机是为嫦娥三号任务专门研制的。它的难度有多大？据嫦娥三号推进系统主任设计师金广明介绍，一般卫星的发动机最大推力只有490牛(发动机推力单位)，神舟系列载人飞船发动机的推力也只有2500牛，由此看出7500牛发动机绝对是个“大家伙”。它还能根据预定设计，进行变推力调节，这要求发动机必须灵活地调节动力，让探测器平稳地落到月面。在拥有巨大推力的同时，还要受重量、结构尺寸等条件限制，工作时产生的大量散热还不能影响探测器上仪器设备的正常工作，其设计难度可想而知。负责发动机研制的航天集团六院院长谭永华告诉记者，该发动机的相关试验进行了100多次，仅点火试验就累计达到6万多秒，就是为了确保它在轨工作的1200秒不出任何问题。 利器三：四条长腿 确保落月时“站稳” 探测器降落月面时，来自月面的巨大冲击力将是其安全着陆的最大威胁。美国和前苏联探测器的软着陆方式主要有三种：气囊弹跳式、着陆腿式和空中吊车式。而嫦娥三号靠的是四条长腿和四只大脚。 嫦娥三号探测器安装了四条着陆腿。科研人员在“腿骨”内部增加了塑性变形吸能材料，在着陆冲击时能起到很好的吸能和缓冲作用。腿部末端还安装了脸盆大小的圆形大脚，可以保证着陆器在复杂的月球表面站稳脚跟。其研制人员告诉记者，大量试验表明，即使探测器落在石块上，或者一边腿在石头上，一边在坑里，只要倾斜度不超过十几度，探测器就不会翻倒。在地面试验场中，嫦娥三号着陆器从初样到正样进行了近百次模拟试验。从水平面到十几度的坡面，着陆器的修长美腿均表现优异。 利器四：小小密封圈 研制多年 乘坐阿波罗号登月的宇航员曾在回忆录里这样描述初登月球时的震撼情景：月亮上没有风，月尘扬起后，会长时间悬浮在半空中落不下来。 由于月尘带有静电，容易吸附在巡视器表面或侵蚀巡视器的活动部件，因此防尘密封圈就变得格外重要。就是一个小小的密封圈，研制人员足足花费两年的时间才找到合适的配方。他们对设计出来的每一种配方都进行了高温压缩永久变形测试、压缩耐寒系数测试、耐热空气老化测试等多项测试，通过数十次试验，终于确定了配方。由于月尘的直径不足1毫米，甚至只有几微米，因此必须把密封圈的尺寸做到恰到好处，松了月尘就会进入，紧了就会被磨损，这对工艺与制作能力提出了苛刻的要求。 落月“软着陆”与“硬着陆”区别 今晚，嫦娥三号如果按计划成功在月面实现软着陆，将是继1976年之后，首次有人造航天器在月球表面实现软着陆。 软着陆是相对“硬着陆”而言的。所谓“硬着陆”，是指航天器在降落时不减速，直接冲撞月球表面，会对航天器造成毁灭性的冲击。北京大学地球与空间科学学院焦维新教授告诉记者，“硬着陆”是人类了解月球的初级阶段，也分为“不受控撞月”和“受控撞月”两种类型。无论哪种，都只能在撞月之前实现近距离观测月球的目的。如果要更进一步探测月球，航天器不能总一头撞向月球，需要航天器能够完好地抵达月面。软着陆，就是在月球表面没有空气、无法使用降落伞的前提下，通过减速装置，使人造航天器减速安全地抵达月面，并平稳着陆。 人造航天器的首次成功硬着陆和软着陆都是由前苏联实现的。1959年9月12日，前苏联的月球2号探测器发射升空，在月球表面硬着陆，成为到达月球的第一位使者，但它的无线电通信装置在撞击月球后就停止了工作。1966年2月3日，前苏联发射的月球9号在月面安全落月，开创了人类探测器零距离考察月球的新阶段。 在嫦娥三号之前，只有美国、前苏联成功实施了13次无人月球软着陆。这13次成功也伴随着多次失败。据统计，在上世纪六七十年代的美苏太空竞赛中，成功发射的具有软着陆任务的30个航天器中，最后成功着陆的只有20个。1976年，前苏联的月球24号从月球成功返回后，已经有37年没有任何人造航天器踏足月球。 2007年，我国发射的嫦娥一号成功进行了月球“硬着陆”。 变推力发动机—— 完成无大气环境软着陆 运载火箭发动机承担的任务，是将探测器推举到地月转移轨道。其后，嫦娥三号探测器推进分系统开始接力工作。嫦娥三号探测器要把“绕月”变成“落月”，在月球这一无大气天体表面进行软着陆，传统发动机无法实现推力的变化。只有研制变推力发动机，才能满足完成月球着陆探测器中途修正、近月制动、动力下降、悬停段等任务。 推进分系统，是嫦娥三号月球探测器的关键分系统之一，它由1台7500牛变推力发动机、若干台姿控发动机组成，承担了地月转移、近月制动、环月飞行、落月过程等全部轨控、姿控动力功能。 步进电机+丝杆—— 实现着陆器“悬浮” 在距离月面100米的地方，系统开始计算嫦娥三号着陆器下降的速度。根据不同的速度，发动机可以在700—7500牛的区间范围内选择匹配的反推动力，而选择权掌控在一个长8厘米、直径8.1厘米的圆柱体形电机上。 该电机的主要设计师、中国电科工程师李听斌介绍说，这个给发动机“发号施令”的电机原理跟踩油门一样。 “步进电机+丝杆的组合运用，还是首次进入太空。”李听斌说，通过丝杆毫米级的位移，可以最大限度地保证“微调”以达到力的平衡。 关机敏感器—— 精准发出关机指令 当嫦娥三号从环月飞行转到月面着陆工作阶段时，需要通过开启发动机来控制“姿态”向月球缓慢下降。 随着落月过程的开始，置于嫦娥三号底部的伽玛关机敏感器实时精确测量嫦娥三号与月面的距离。当探测到距月面几米高度时，敏感器发出关机指令关闭发动机。 这个关机指令的发出，是实现嫦娥落月的关键动作，决定着落月任务的成败。 之后，随着发动机反推力的撤离，着陆器将在月球引力作用下以自由落体的方式着陆，踏上月球。 《 人民日报 》（ 2013年12月15日 04 版） |
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