嫦娥三号成功落月体重“暴瘦”2000公斤

　　12月14日21时，在月球100公里×15公里椭圆轨道上飞行4天后，嫦娥三号踏上了中国航天器从未涉足的未知旅程—最后15公里的落月之路。这是中国人通往月球的最后一步，也是我国实现首次地外天体软着陆“关键中的关键”。这一段约11分钟、430公里的航程，还因其高自主性、高风险性和不可逆性成为嫦娥三号飞行过程中难度系数最大的一段。

　　一步走错 满盘皆输

　　抓住下降时机要考虑多重因素

　　既然“开弓没有回头箭”，嫦娥三号下降的时机就很重要。那么，什么时候算是时机成熟呢？嫦娥三号着陆器副总设计师张熇说，这要根据探测器当时的重量、高度、速度等来确定，还要考虑月球引力场作用下探测器轨道的变化。

　　此外，动力下降需满足三个条件：首先，探测器运行到预设着陆区的上方；其次，确保着陆段及着陆后一段时间内探测器在测控范围之内，与地面通讯有保障；再次，着陆点太阳高度角不宜太高，因为太热的话会损伤元器件。

　　一步走错 满盘皆输

　　嫦娥三号如何顺利实现软着陆，工程人员动了很多脑筋。从2006年探月二期工程的预先研究工作启动，他们就开始研究月球着陆方案，直到2011年下半年，这个方案才差不多定下来。

　　根据方案，嫦娥三号的动力下降过程分为六个阶段：主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。

　　通过主减速段，嫦娥三号距月面的高度下降，速度也大幅降低。随后，调整姿态，来到接近段，初步确定安全着陆区。然后，探测器选择安全着陆点。之后，嫦娥三号缓速下降，安全着陆。“这几个阶段是环环紧扣、步步递进的，都非常关键，任何一个阶段的任务没完成好，都会影响最后的软着陆，甚至造成灾难性后果。”着陆器系统一位副主任设计师说。

　　避障和着陆最“惊心”

　　尽管嫦娥三号的软着陆过程被划分成了六段，但实际上，它在这15公里最重要的任务只有两个，那就是减速和避障。“在距月面3公里之前主要是减速，之后的核心目标就是避障和着陆。当然，其间还伴随着调姿。”李骥说。

　　以前，神舟飞船返回舱返回地面主要是靠空气阻力来减速的。而月球上没有空气，探测器的减速主要靠推进分系统的一台变推力发动机来完成。

　　避障是最后15公里的一个关键。上世纪六七十年代，苏联和美国曾先后探访月球，不过，这些早期的月球探测器并不具备避障功能，它们或者“盲降”，或者像阿波罗探测器那样由宇航员人眼识别障碍，而不能像嫦娥三号这样自主避障和选择着陆点。

　　对于嫦娥三号来说，敏感器就是它的“眼睛”。在距离月面几百米时，嫦娥三号首先采用光学成像敏感器观测着陆区，进行粗避障，然后悬停，利用激光三维成像敏感器扫描成像，根据成像情况进行精避障，选择着陆点。

　　“这是我国的独创，之前还没有任何一个月球探测器使用过这种避障策略，但现在国际上一些先进的深空探测器已经开始使用敏感器避障。”专家说。

　　选择好着陆点后，嫦娥三号缓速下降，并在即将到达月面时关闭发动机，“自由落体”到月球。

　　着陆腿“对抗”落月冲击力

　　探测器降落月面时，来自月面的巨大冲击力是其能否安全着陆的最大威胁。为此，嫦娥三号探测器安装了四条着陆腿，它们既有足够的强度，可以承受着陆时的冲击，又使用了新的缓冲吸能材料，具有一定的“柔韧性”，可以确保探测器平稳安全。

　　嫦娥三号任务对探测器落月时的姿态有较高要求。着陆器姿态平稳，月球车才能顺利从上面下来，执行后续巡视探测任务。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，就不会翻倒。

　　晨报记者 韩娜

　　一旦点火 无回头路

　　下降过程中着陆器“暴瘦”2000公斤

　　中国航天科技集团嫦娥三号探测器系统总设计师孙泽洲说，在进入100公里×15公里轨道之前，嫦娥三号的飞行轨迹及轨道控制策略与嫦娥二号基本一致，有较好的继承性。但从距离月面15公里到落月，虽然只有短短11分钟，却是我国第一次探索，难度和风险都非常大。

　　在这短短的11分钟里，嫦娥三号要将速度从约1.7公里/秒减到几乎为零，飞行姿态调整90度，还要在控制过程中适应随着发动机燃料的消耗，着陆器“体重”从3000多公斤减到1000多公斤的变化。

　　探测器自主控制能力接受不确定性考验

　　这段陌生航程的风险还来自于月面的不确定性。“我们对月球的整个情况、月面的地形地貌掌握得不是太清楚，怎样在未知情况下实现软着陆，这是对我们最大的考验。”嫦娥三号总设计师吴伟仁说。

　　由于难度大、风险高，迄今为止，人类开展过的月球探测活动成功率仅为51%，只有美国和苏联完成了13次无人月球表面软着陆。与国际上已经开展的很多探月活动相比，嫦娥三号面临着更大的挑战，在整个下降过程中，探测器的飞行速度、高度、姿态的调整，制导、导航，包括避障和着陆点的选择都由它完全自主控制。

　　负责导航、制导和控制的是探测器的“大脑”GNC系统，它要和“眼睛”—敏感器、“四肢”—着陆缓冲机构及动力系统等通力配合完成整个着陆过程。嫦娥三号的“大脑”比我国以往的航天器都要复杂，新技术、新产品占比达到了90%。在GNC系统研制过程中，设计人员充分考虑了动力下降过程中可能遇到的问题，并将应对策略编排在软件程序中，使它具备了自主进行故障处理的“智力”。

　　发动机一旦点火

　　没有“重新再来”机会

　　软着陆是一个不可逆的过程。正所谓“开弓没有回头箭”，自从“动力下降”的指令注入，主发动机点火开始，嫦娥三号基本上就失去了“重新再来”的机会，一旦出现问题，人也很难有时间判断故障并及时实施抢救措施。

　　对此，工程人员制定了若干应急预案，并在着陆方案设计和地面验证上绞尽脑汁。中国航天科技集团嫦娥三号着陆器GNC系统副主任设计师李骥介绍，为了最后这11分钟，仅GNC系统就进行了上万次数学仿真、成百上千次桌面联试。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，进行多次大型地面试验，这样的试验力度“史上空前”。