对话嫦娥三号探测器系统总设计师孙泽洲——“落下去，走起来”就是成功
来源：同济医学院关工委编辑录入：oy 2013/12/2 9:40:29 1033
来源：《 人民日报 》（ 2013年12月02日 09 版）
本报记者 吴月辉
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此次探月任务成功的标志，就是探测器安全着陆月面，巡视器成功转移到月面并行驶，着陆器和巡视器完成互拍并获得图像，即“落下去，走起来”。
12月2日1时30分，嫦娥三号发射。在随后的十来天时间里，嫦娥三号将通过奔月、绕月，最终落月。本报记者专访了探月工程二期嫦娥三号任务探测器系统总设计师孙泽洲。
经过12分钟动力下降过程，实现月面软着陆
记者：请介绍一下这次嫦娥三号任务的概况。
孙泽洲：任务过程大致是这样的：运载火箭先将探测器运送到地月转移轨道。在这个过程中，需要进行1—3次中途修正。
随后，探测器进行近月制动进入圆形轨道，并进一步调整为椭圆轨道，为后续动力下降段提供准备。
此后，探测器将在飞行4—5天后，在近月点15公里处开始进入动力下降。下降过程持续12分钟左右，并最终实现嫦娥三号探测器的月面软着陆。
探测器包括着陆器和巡视器（月球车）。着陆后，探测器将择机释放月球车，着陆器开展就位探测，月球车开展巡视勘察。
概括来说，任务成功的标志是，探测器安全着陆月面，巡视器成功转移到月面并行驶，着陆器和巡视器完成互拍并获得图像，即“落下去，走起来”。
记者：探测器是嫦娥三号任务五大系统中的核心系统，它的构成是怎样的，承担什么任务？
孙泽洲：整个嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器两部分组成，主要任务是两个：实施月面软着陆和实施在月面的巡视勘查。
探测器落月之前，巡视器是不工作的，它作为一个载荷，固定在着陆器的顶部。整个前期的飞行和动力下降过程，以及实施软着陆任务都是由着陆器来完成。到月面之后，着陆器和巡视器配合，把巡视器释放到月面上，成为两个独立的探测器，在月面开展各自的科学探测任务。除了巡视器在月面进行巡视勘查之外，着陆器上也携带着载荷在月面进行探测。
巡视器在月面完成的任务包括利用测月雷达、全景相机等有效载荷进行科学探测任务。着陆器则利用极紫外相机、月基光学望远镜等有效载荷进行探测。此外，着陆器和巡视器还搭载了工程载荷，进行对月面等方面的测量，为后续的月球探测任务做一些基础数据的积累。
落月比绕月需要更精细的环境数据来提供支持
记者：嫦娥三号探测器和之前的嫦娥一号卫星、嫦娥二号卫星有何不同？
孙泽洲：进入15乘100公里轨道之前，应该说嫦娥三号的飞行过程和嫦娥二号的飞行过程是基本一致的，有很好的继承性。之后的飞行过程会有很大的不同。距离月面15公里之后的动力下降过程，就完全是嫦娥三号面临的新任务。在12分钟的落月过程中，要靠探测器自身的敏感器对月进行测距、测速以及障碍识别，来完成整个动力下降的自主导航与控制，完成软着陆。也就是说，整个软着陆过程基本是靠探测器自主完成的。
从产品角度讲，嫦娥三号和嫦娥二号、嫦娥一号的整个平台，包括设备、系统的功能，都有非常大的区别。有一定的技术可以继承，但总的来说全都是新的。
记者：嫦娥三号任务是我国首次在地球外实行软着陆和月面巡视勘察，我们在做探测器顶层设计和统筹工作时，有哪些新的考虑？
孙泽洲：嫦娥三号的任务是在月面进行软着陆，因此，除了空间环境、月球红外普照等因素以外，对探测器影响比较直接的还是月表的地形地貌以及月尘等环境因素，尤其是地形地貌。过去发射的航天器都是绕月飞行，我们对环境知道一个宏观的情况，就可以满足工程设计的需要。但嫦娥三号需要更精细的环境数据来提供对任务设计的支持。
以上这些因素对我们的探测器设计提出了两方面的新要求：一是尽最大可能去认识月面的环境，二是在设计上想办法降低环境的不确定性带来的风险。
月球地形地貌不确定是本次任务最大风险
记者：嫦娥三号探测器的研制在技术上有哪些创新和突破？
孙泽洲：整个探测器新研制产品比例达到80%，从技术来讲，有多个方面的创新和突破：
首先是总体优化设计，主要表现在三个方面：一是为了完成月面软着陆任务，通过建立月表地形地貌的、月壤的很多模型，构建一个地面的仿真验证系统，为分析验证提供相应的工具和手段；二是由于整个探测器受到发射重量的严格约束，整个系统都进行了小型化和集成化的设计；三是在系统上有一些功能互用等设计方法的应用，一方面照顾了轻、小型化的要求，同时还要保证系统的可靠性。
第二是推进系统，我们为动力下降过程研制了我国航天器历史上第一台变推力发动机。
此外，在着陆器的导航与控制、着陆缓冲机构、热控分系统、巡视器的移动、巡视器的自主导航与控制以及遥操作和科学载荷方面，也有很多创新。
我觉得，整个嫦娥三号任务的技术难度也都体现在这些方面。
记者：在嫦娥三号任务中，最大的风险来自哪些方面？
孙泽洲：风险表现在三个方面。第一，整个产品的状态都比较新。新产品比例多了之后，这种设备或者产品本身质量的风险性比其他的型号相对来说会大一些。但是，全新的产品不代表就一定质量不高，或者可靠性不高，这是辩证统一的。
第二，嫦娥三号任务很多关键的动作和关键的环节，都是一次性的、短暂的，并且是唯一的。这个动作只能在这时刻做，开弓没有回头箭，没有说退回来，恢复到一个状态再走。比如动力下降，一旦15公里开始往下走了，就必须要一直落到月面，这也是任务的特点所决定的。
第三，地形地貌环境的不确定性，应该说是嫦娥三号最大的潜在风险。最终落的那个区域的地形对任务成功与否影响很大。
虽然风险大，但我们还是有信心的。首先，新产品有新产品的好处。新产品在设计上，还是有基础的。并且，随着整个行业的质量管理水平的提高，新产品在初始设计的时候，某些设计环节考虑得会更充分一些，因此在设计上本身固有的可靠性也就会得到相应的保证。
多窗口发射 发动机变推 敏感器定位 着陆腿耐压
四大“金刚” 护送“嫦娥”
本报记者 吴月辉
版式设计：蔡华伟
发射
我国航天首次实现多窗口、窄宽度发射和高精度入轨
嫦娥三号探测器由长征三号乙改进型运载火箭直接发射至近地点高度200公里、远地点高度38万公里的地月转移轨道。为确保完美登月，改进型火箭将实现多窗口、窄宽度发射和高精度入轨，这对我国航天发射来说是第一次。
“嫦娥三号探测器比嫦娥二号卫星重很多，同时入轨精度提高了3倍多，这就对火箭的运载能力等方面提出了更高要求。经过综合分析，我们决定采用目前国内运载能力最大的长征三号乙改进型运载火箭来进行发射。”嫦娥三号运载火箭系统总指挥岑拯说。
据岑拯介绍，此次改进型火箭通过窗口优化设计、软件在线切换技术研制、火箭三级增压输送系统适应性等技术改进和试验，由嫦娥二号的零窗口发射，增加至每个发射月有连续3到4天具备发射条件，每天有2个发射窗口，实现了多窗口发射。
窗口，是指火箭发射比较合适的一个时间段，宽的可以天计算，窄的只有几十秒，甚至为零。由于太阳、地球和其他星体的相对位置在不断变化，即使发射同一类型、同一轨道的航天器，其发射窗口也是不固定的。
“这次嫦娥三号共选择了6个发射窗口，每天有两个。第一发射窗口宽度为4分钟，如第一发射窗口未实施，则进入第二发射窗口，第二发射窗口宽度为1分钟。”
运载火箭系统总设计师姜杰介绍说，多窗口、窄宽度的发射很难。首先是对轨道设计等方面的要求非常高。6个窗口需要6条轨道，它们的入轨参数和整个飞行轨道都是完全不同的。同时，每次发射为窄窗口或零窗口，发射时间的间隔非常短，需快速调整不同的弹道参数。
变推
7500N变推力发动机可实现连续变推，专为落月研制
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，开始漫漫探月和登月之旅。
推进分系统，是嫦娥三号探测器的关键分系统之一，它承担了地月转移、近月制动、环月飞行、落月过程等全部轨控、姿控动力功能。“推进分系统中的7500N变推力发动机，是专为落月而研制的我国首台具有大范围变推力工作能力的液体火箭发动机。”专家介绍。
与地球着陆方式完全不同，月面着陆是在真空状态下的软着陆，没有大气也就意味着不能利用空气摩擦实现减速。嫦娥三号探测器要实现月面安全软着陆，传统火箭发动机和推进系统无法完成这一任务。因为，在月球这一无大气天体表面进行的软着陆机动飞行中，传统发动机无法实现推力的变化。
专家介绍：“新研制的7500N变推力发动机具有性能高、适应性强、燃烧稳定、结构简单、成本低廉等显著特点，可实现连续变推，从而满足完成月球着陆探测器中途修正、近月制动、动力下降、悬停等软着陆任务的要求。”
具体来说就是，从地面起飞到月球着陆，探测器大约要飞行12天时间，7500N变推力发动机从地月转移飞行即开始工作，完成几次中途修正。探测器在近月制动后转入环月飞行。在近月面15公里左右，变推力发动机就开始根据即时速度不断调整推力，执行下降工作，到100米高度进入悬停段，探测器可在下降中随时悬停，识别并避开大的月面障碍，缓慢下降到几米后，发动机关机实施软着陆。
定位
测距测速敏感器把握速度和距离，是嫦娥三号的“眼睛”
登月过程中，最关键的莫过于掌控嫦娥三号的落月速度和距离。测距测速敏感器则可以通过把握速度和距离的信息，使探测器轻盈完成任务。
可以说，测距测速敏感器就是嫦娥三号那双明亮的“眼睛”。
“当着陆器和月球表面的相对距离小于敏感器的最大作用距离时，测距测速敏感器就可以获得着陆器对于月球表面的距离和速度信息，以控制和调整探测器落月的速度及姿态。”专家说。
嫦娥三号着陆器距离月球15公里的时候，安装在着陆器上的测距测速天线不断实时接收、发射信号，并及时传递至探测器的中央控制系统，进而实时判断嫦娥三号着陆器的速度和距离信息。
专家说：“测距测速天线就像是安装在测距测速敏感器上的灵敏‘触角’，可以实时地掌握嫦娥三号着陆器相对于月球表面的速度和位置信息。”
当测距测速敏感器距离月球几公里的时候，这些“触角”将同时开始工作。在这些“触角”的后端还配备了数据传输通道。测距测速天线及数据传输通道将为嫦娥三号探测器的落月电视直播全过程发送信号。
在探测器下降过程中，与测距测速敏感器配合使用的还有激光测距敏感器。
专家介绍，和火箭分离之后，整个探测器从地球飞向月球的过程基本上只能依靠其自身的惯导系统来提供它的姿态和方位的数据。激光测距敏感器主要任务就是在着陆器靠近月面的情况下，为从距月面15公里处开始进行的主动段减速提供一个垂直于月面的精确的距离数据。
着陆
4条“着陆腿”缓冲月面巨大冲击能量，保证探测器稳定
探测器降落月面时，来自月面的巨大冲击能量是其能否安全着陆的最大的威胁。要想平稳地站立在月面上，着陆器必须有一双非同寻常的“腿”。
着陆缓冲机构俗称“着陆腿”，据专家介绍，着陆腿的特点可以用8个字概括：强、轻、柔、稳、多、新、全、难。例如，它要承受着陆时的冲击，一定要有足够强度，不能在着陆过程中裂开或折断，也就是说，它要能够承受来自垂直和水平等各方向的压力、冲击力。同时，还要通过使用相应的缓冲材料，保证着陆器以非常柔和、舒适的方式着陆，从而确保着陆器和仪器设备的安全。并且，在着陆过程中通过4条着陆腿的协调工作，保证探测器姿态的稳定。据专家介绍，着陆腿的功能还有收拢、展开、支撑、指示等。执行指示功能的部位可以被形容为“鞋底”，在“鞋底”上有一个开关，一旦触月的动作实现，它就发出一个信号，一旦这个信号稳定地传输到地面上，就意味着稳定落月了。
嫦娥三号着陆器有4条腿，每条腿上有两根拉杆缓冲器，冲击能量就是主要靠它来吸收掉的。专家介绍说，拉杆缓冲器使用的是一种新材料，这种材料的整个应力和应变过程非常稳定，波动非常小，因此吸收能量也很稳定。
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