導航敏感器指揮將有“黑色720秒”

 

　　嫦娥落月，即將在今晚9點多上演。由著陸器和“玉兔”號月球車組成的“嫦娥三號”預計將于今晚在月球虹灣區軟著陸，這將是此次嫦娥三號任務最大的看點。明晚，月球車要和著陸器“說再見”，兩器分離后，月球車將在月面進行為期3個月的科學勘測，著陸器則不會“挪窩”，在著陸區原地探測。

 

　　在整個落月過程中，嫦娥將經歷與地球失去聯系的黑色720秒，這段時間里，著陸器導航與控制系統的敏感器，將充當“大腦”，指揮著陸器平穩降落。

 

　　為何繞了8天才落月？

 

　　嫦娥三號于本月2日發射升空，于6日進入高度為100公里的環月圓軌道。對于已近在咫尺的月球，嫦娥三號為何還要繞飛8天后才著陸？據專家介紹，這主要由落月時間和區域決定。一方面，為能在高溫到來前完成月球車與著陸器分離，嫦娥三號須在月球的上午著陸，這就限制決定它要多飛幾天；另一方面，嫦娥三號此前并不在著陸區虹灣所在軌道面內，而要等到月球轉至虹灣區時才降落。

 

　　落月全程12分鐘

 

　　據悉，嫦娥三號將在近月點15公里處以拋物線軌跡下降，相對速度從每秒1.7公里逐漸降為零。過程經過主減速、快速調整、接近、懸停、避障和減速下降等階段，實現在月球虹灣區的軟著陸。整個過程大概需要12分鐘。

 

　　具體來說，由于月球表面幾乎沒有大氣層，不能利用降落傘降落，為了減緩嫦娥三號的降落速度，著陸器底部的發動機反推著陸器。當著陸器降落至距離月面100米高度時，懸停在空中，著陸器下方的降落相機充當眼睛的作用，著陸器根據其拍攝到的月面信息，再平移到平緩的區域，垂直下降，但仍然需要用發動機反推，降低下降的速度。

 

　　當著陸器降落到距離月表4米高度時，著陸器懸停在空中，關閉反推發動機，著陸器以初速度為0的自由落體方式降落，并將腿部支架扎進土層。

 

　　如果一切順利，“嫦娥”所帶的降落相機將記錄中國航天器首次地外天體軟著陸的精彩瞬間。

 

　　難關1

 

　　能否及時“剎車”

 

　　準確降落

 

　　好比在高速路上飛馳的汽車，速度慢了耽誤時間，速度太快又不能及時剎車，錯過了目的地，或者一頭撞上去，都不能完成任務。能否在指定的月球虹灣區域準確落下，是嫦娥三號探測器實施軟著陸首先面臨的難題。

 

　　在嫦娥“三姑娘”之前，嫦娥一號和嫦娥二號兩姐妹已解決了繞月飛行的技術問題。這一次，嫦娥“三姑娘”則要解決繞月成功后，能不能在指定區域落下來的問題。

 

　　在人類探測器軟著陸月球的歷史中，就有過沒能“剎住車”的先例，比如美國1962年發射的徘徊者3號，從距月球36793千米處飛過，“剎車”失敗。

 

　　所以，嫦娥三號的“剎車”時間是否合適、遠近距離是否準確，都是此次任務的技術難點和關鍵。為此，北京飛控中心已做了充分的準備。

 

　　著陸是探月最難一環

 

　　難關2

 

　　下降過程嫦娥

 

　　完全自主

 

　　落月過程中，要實時測量探測器運動的速度、高度，隨時調整，而且月面地形地貌很復雜，還要尋找安全的著陸區等，“這些工作都要在很短的時間內完成，而且完全靠探測器自主完成，所以自主導航控制是個難點。”嫦娥三號探測器系統總設計師孫澤洲說。

 

　　15公里開始的“動力下降”階段，被業內人士形容為最驚心的環節，也稱黑色720秒。嫦娥三號要完全依靠自主導航控制，完成降低高度、確定著陸點、實施軟著陸等關鍵動作，人工干預的可能性幾乎為零。“在這個時段內，測控都跟不上了，只能事先把程序設定好。”嫦娥三號探測器系統副總指揮譚梅表示。

 

　　著陸器GNC(制導導航與控制)系統設計了專門的敏感器，進行對月測速、測距和地形識別，確保探測器在著陸段自主制導、導航與控制。

 

　　難關3

 

　　真空下降落能否順利減速

 

　　月球上沒有大氣，這就決定了月面著陸與地球著陸方式完全不同，它是真空狀態下的軟著陸。

 

　　“沒有大氣也就意味著不能利用空氣摩擦實現減速。嫦娥三號探測器要實現月面安全軟著陸，傳統火箭發動機和推進系統無法完成這一任務。因為在月球這一無大氣天體表面進行的軟著陸機動飛行中，傳統發動機無法實現推力的變化。”孫澤洲說。

 

　　為此次任務新研制的7500牛變推力發動機，能夠進行連續可調節變推力，進而對嫦娥三號實現精準控制，很好地解決了這一難題。但由于是首次研制和使用，7500牛變推力發動機最終的表現如何，還有待實踐的考驗。

 

　　難關4

 

　　落月點小環境未知風險大

 

　　嫦娥三號著陸地點，選在較為平坦的虹灣區域。但最終的落月點選擇，仍存在一定難度。

 

　　“月球表面從宏觀的方面來說相對還是比較平坦的，但小范圍，比如50米×50米或者10米×10米的小環境，它的地形地貌是什么樣子，我們不是很清楚，也不知道最終會降落到什么地方，這對我們而言是一個很大的考驗。盡管采取了很多措施，但風險還是比較大，因為那里的月石、月坑很多，可能碰到石頭，也可能碰到壕溝，這些情況都可能存在。”吳偉仁說。

 

　　難關5

 

　　著陸沖擊力或讓嫦娥跌倒

 

　　當探測器著陸在月面時，著陸器撞擊月面會形成較大的沖擊力，這可能造成探測器出現翻倒的情況。在美蘇以往的月球探測器軟著陸歷史中，發生過“軟著陸”變“硬著陸”的情況，比如蘇聯1965年發射的月球8號就是撞擊了月面，軟著陸失敗。

 

　　另外，著陸器落在月球會激揚起月塵，月球塵埃如果附著于探測器表面，能引起光學系統靈敏度下降、機械結構卡死等故障。同時由于月球表面覆蓋著一層松軟且崎嶇不平的月壤，這些都給著陸帶來了困難。

 

　　對此，研制團隊充分考慮了月壤物理力學特性對著陸沖擊、穩定性的影響以及月塵的理化特性等，采用特殊的材料、設計和工藝，研制出全新的著陸緩沖系統，解決上述難題，確保探測器實施軟著陸過程中，在一定姿態范圍內不翻倒、不陷落，并為探測器工作提供牢固的支撐。

 

　　據了解，著陸器底下四個金屬腿型結構將起到緩沖作用。著陸器還設有緩沖拉伸桿，也是緩沖吸能部件，主要任務是吸收著陸時的沖擊力。

 

　　探測器的著陸緩沖機構能否經受住考驗，今晚將見分曉。