“嫦娥”探月的關(guān)鍵一步

我國(guó)探月“三年一會(huì)”，在這個(gè)冬天如期而至。

繼2007年嫦娥一號(hào)，2010年嫦娥二號(hào)完成奔月之旅后，2013年十二月二日凌晨，嫦娥三號(hào)攜帶我國(guó)第一輛登月車(chē)飛向月宮。

這是我國(guó)探月工程“繞、落、回”三個(gè)階段中第二階段，卻是最為關(guān)鍵的一步。我國(guó)是否進(jìn)行載人登月及建立駐月基地，要在這一“落”中尋找更多的答案。

航天是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極高的事業(yè)，沒(méi)有強(qiáng)大的國(guó)力和技術(shù)儲(chǔ)備，很難進(jìn)行。從火箭運(yùn)載工具到航天器的設(shè)計(jì)制造，從深空測(cè)網(wǎng)布局到遙操作，從無(wú)人探測(cè)器到載人航天，每一步都是國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。

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天空就在那里，我們要夢(mèng)想更要理性，從嫦娥一號(hào)升空到實(shí)現(xiàn)載人登月的夢(mèng)想，我國(guó)仍有很長(zhǎng)的路要走。而每一步的邁出都要依據(jù)我國(guó)的科技水平、綜合國(guó)力和國(guó)家整體發(fā)展戰(zhàn)略而制定。

寒冷的月宮即將迎來(lái)首位我國(guó)訪客。十二月二日，承載國(guó)人探月夢(mèng)想的嫦娥三號(hào)順利升空，并準(zhǔn)確進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，開(kāi)啟了我國(guó)首個(gè)航天器在地球外天體著陸的大幕。

按照計(jì)劃，嫦娥三號(hào)將在十二月六日進(jìn)入高度為100公里的近月軌道，并在發(fā)射13天后在月球上執(zhí)行軟著陸，而首次登月的“玉兔”月球車(chē)將完成月球探測(cè)、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)。

在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)力支撐下，我國(guó)在宇宙探索的路上開(kāi)始“加速度”。

“落下去，走起來(lái)”

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自1976年美蘇等航天大國(guó)探月工程告一段落以后，就沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家再到月球上進(jìn)行落月探測(cè)。

按照我國(guó)的嫦娥三號(hào)任務(wù)，整個(gè)探月共有三步，落下去算一步，月球車(chē)走起來(lái)算一步，到達(dá)之后完成全部任務(wù)是最后一步。在“嫦娥之父”、我國(guó)空間技術(shù)研究院空間科學(xué)與深空探測(cè)首席專(zhuān)家葉培建看來(lái)，安全落下去就是成功，隨后月球車(chē)離開(kāi)著陸器行走起來(lái)并能在月球上工作一段時(shí)間，任務(wù)結(jié)束以后就是最大的成功。

如何安全地落下去，并順利地走起來(lái)，是嫦娥三號(hào)遇到的最大挑戰(zhàn)。

在整個(gè)落月過(guò)程中，在離月面一百米的時(shí)候要像直升機(jī)相同懸停，通過(guò)全景相機(jī)等對(duì)月面進(jìn)行探測(cè)，選擇合適的降落區(qū)。若有石頭或者是坑，就要進(jìn)行平移，選擇一個(gè)更安全的地方。

隨后的軟著陸更是巨大的考驗(yàn)。因?yàn)樵虑驔](méi)有大氣層，不能使用降落傘進(jìn)行減速，科研人員采用變推力發(fā)動(dòng)機(jī)、自主導(dǎo)航控制技術(shù)和研發(fā)緩沖吸能部件來(lái)攻克這一難關(guān)。

“一邊落一邊往上推，這樣慢慢降下來(lái)，逐漸下落至距月球表面4米的位置之后發(fā)動(dòng)機(jī)將熄滅，將采用自由落體的方式，軟著陸在月球。”航天專(zhuān)家龐之浩告訴《我國(guó)新聞周刊》，“難度之大，超乎想象。”

接下來(lái)要過(guò)巡視關(guān)，月球車(chē)得動(dòng)起來(lái)，還要保證不翻車(chē)。在開(kāi)始行進(jìn)前，月球車(chē)采用的是視覺(jué)導(dǎo)航，利用自己所攜全景相機(jī)，對(duì)四周進(jìn)行觀測(cè)，自主進(jìn)行規(guī)劃路線，然后行進(jìn)。與此同時(shí)，全景相機(jī)所拍資料傳回地面，以便無(wú)法自主行進(jìn)時(shí)，地面科技人員遙操作控制巡視器移動(dòng)。

與美俄無(wú)人探月要么是單個(gè)著陸器，要么是單個(gè)月球車(chē)不同，我國(guó)的嫦娥三號(hào)是把著陸器和月球車(chē)探測(cè)器結(jié)合起來(lái)的聯(lián)合探測(cè)。

月球科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜冶硎荆隙鹑?hào)挑戰(zhàn)人類(lèi)月球科學(xué)探測(cè)史上的幾項(xiàng)“首次”重要由嫦娥三號(hào)攜帶的八大科學(xué)載荷中的三件完成。其中，近紫外月基天文望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行世界上首次用月基天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天文；月球車(chē)“腹部”的測(cè)月隨月球車(chē)移動(dòng)探測(cè)月球地底下30米深土壤層的結(jié)構(gòu)和100米深的次表層結(jié)構(gòu)亦屬世界首次。

月夜生存是嫦娥三號(hào)落月后面對(duì)的又一難關(guān)。龐之浩說(shuō)，月晝?cè)乱褂?30多攝氏度溫差，必須保證各載荷在寒冷的月夜下著陸器和探測(cè)器不被凍壞，太陽(yáng)出來(lái)時(shí)再自動(dòng)喚醒開(kāi)始工作。

為突破長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受?chē)?yán)寒難關(guān)，在月球上過(guò)夜，嫦娥三號(hào)將攜帶核能電池飛天。核電池對(duì)將在月夜環(huán)境下生存的嫦娥三號(hào)的保溫至關(guān)重要。龐之浩告訴《我國(guó)新聞周刊》，不僅可以確保探測(cè)器上儀器不被凍壞，夜間休眠中的月球車(chē)還可以靠核電池放出來(lái)的熱量保溫。

此外，核電池還可以用于小規(guī)模供電，支持嫦娥三號(hào)所帶月球車(chē)低速移動(dòng)；支持嫦娥三號(hào)所帶設(shè)備正常工作；支持嫦娥三號(hào)與地球之間的通訊。據(jù)了解，嫦娥三號(hào)探測(cè)器攜帶的核電池由中核集團(tuán)研發(fā)。

與美蘇上世紀(jì)50~70年代即把核電池用于航天領(lǐng)域相比，我國(guó)則落伍很多。我國(guó)第一塊核電池于1971年三月十二日誕生于中科院上海原子核所，并進(jìn)行了模擬太空應(yīng)用的地面試驗(yàn)。從我國(guó)原子能科學(xué)研究院官方網(wǎng)站上可以發(fā)現(xiàn)，2004年開(kāi)始該院正式啟動(dòng)航天用同位素電池的研發(fā)，到2006年，研制出我國(guó)第一顆钚238同位素電池，2008年通過(guò)了專(zhuān)家組的鑒定。

雖然“國(guó)產(chǎn)”同位素電池的功率與美國(guó)核電池140瓦左右的功率還有距離，但技術(shù)并不遜色。航天專(zhuān)家稱(chēng)，在我國(guó)未來(lái)的深空探測(cè)計(jì)劃中，比如火星、金星探測(cè)中，核電池會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的用途。

全球“月球車(chē)”大比拼

此次嫦娥三號(hào)搭載的“玉兔”月球車(chē)，金光閃閃，頗引人注目。月球車(chē)全名為“月面巡視探測(cè)器”，是集航天系統(tǒng)工程和智能機(jī)器人為一體的航天器，能完成月球探測(cè)、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)。

迄今為止，世界上發(fā)射并成功運(yùn)行的月球車(chē)有5輛，其中兩輛無(wú)人探測(cè)月球車(chē)是前蘇聯(lián)在上世紀(jì)70年代發(fā)射，另外三輛是美國(guó)阿波羅15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)有人駕駛月球車(chē)。

我國(guó)的玉兔號(hào)月球車(chē)是無(wú)人駕駛月球車(chē)，質(zhì)量約140kg，與前蘇聯(lián)約1.8噸重的月球車(chē)相比簡(jiǎn)直是“小個(gè)子”。在龐之浩看來(lái)，月球車(chē)是我國(guó)最高智能的機(jī)器人，全部自主導(dǎo)航，自己選路線、上坡、下坡、避開(kāi)障礙，自己指揮身上的儀器操作，最后把數(shù)據(jù)傳回地球。

據(jù)了解，月球車(chē)金光閃閃是穿上了一套特殊材料制作的外衣，是一層層比羽毛還輕的保溫膜，這種保溫膜由膜狀物和網(wǎng)狀物間隔拼疊而成，共有15層。此外還有一種銀色膜重要用來(lái)反射太陽(yáng)光和散熱，金銀外衣組成了一個(gè)天然的空調(diào)系統(tǒng)。

很長(zhǎng)一段時(shí)間，月球車(chē)由哪個(gè)單位制造，并沒(méi)有明確的說(shuō)法。龐之浩透露，“玉兔”月球車(chē)由我國(guó)空間技術(shù)研究院牽頭，集眾多科研單位研究成果于一身，各個(gè)研究單位的優(yōu)勢(shì)得到了已有體現(xiàn)。

直到2006年六月二十七日，由我國(guó)空間技術(shù)研究院承擔(dān)的國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃“月球探測(cè)車(chē)導(dǎo)航技術(shù)研究”通過(guò)了科技部組織的國(guó)家級(jí)驗(yàn)收，并從七月十二日開(kāi)始在月球環(huán)境相似的甘肅與寧夏交界處騰格里沙漠邊緣的沙漠腹地進(jìn)行月球車(chē)野外試驗(yàn)，此后，我國(guó)空間技術(shù)研究院研制的月球車(chē)才進(jìn)入公眾視野。

“嫦娥三號(hào)任務(wù)系統(tǒng)的探測(cè)器系統(tǒng)由我國(guó)空間技術(shù)研究院抓總，探測(cè)器有效載荷由我國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心抓總。”龐之浩告訴《我國(guó)新聞周刊》，這是最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法。

據(jù)《我國(guó)新聞周刊》了解，我國(guó)空間技術(shù)研究院介入月球車(chē)的研制可以追溯到2003年，當(dāng)年二月，北京控制工程研究所的梁斌、王巍、王存恩在我國(guó)空間技術(shù)研究院網(wǎng)站發(fā)表名為《開(kāi)發(fā)我國(guó)月球車(chē)的初步設(shè)想》的文章，文章稱(chēng)，北京控制工程研究所承擔(dān)了“月球表面探測(cè)機(jī)器人方法研究”的863項(xiàng)目，并取得了一些成果。

賈陽(yáng)是我國(guó)空間技術(shù)研究院月球車(chē)課題組的負(fù)責(zé)人之一，在2006年的一次訪談中透露，他的團(tuán)隊(duì)在吸取了其他科研單位在移動(dòng)、導(dǎo)航方面的相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)后，與多家研究單位形成了聯(lián)盟。最終登月的“玉兔”月球車(chē)是多家科研單位合作的結(jié)果，哈工大重要負(fù)責(zé)制作它的移動(dòng)系統(tǒng)和底盤(pán)，沈陽(yáng)自動(dòng)化所做的是機(jī)械臂。

盡管逃不脫國(guó)外月球車(chē)的影子，但我國(guó)的月球車(chē)并不是克隆產(chǎn)品。月球車(chē)的每項(xiàng)技術(shù)都打上了我國(guó)制造的名字，核心技術(shù)完全自主開(kāi)發(fā)。

“月球車(chē)上的技術(shù)在其他航天領(lǐng)域也會(huì)得到應(yīng)用，并不止步于探月。”賈陽(yáng)此前表示，關(guān)鍵技術(shù)掌握了，稍做改裝還可以投入火星探測(cè)之用。考慮到月球與火星星球環(huán)境的不同，會(huì)做適當(dāng)改進(jìn)，不過(guò)移動(dòng)、導(dǎo)航、自主性的大框架還是一致的。

我國(guó)登月下一步

所有參與航天活動(dòng)的國(guó)家都承認(rèn)，航天是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極高的事業(yè)，幾乎都曾飽嘗過(guò)失敗的苦澀。我國(guó)探月工程首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)坦言，探月工程經(jīng)受不起失敗。特別是嫦娥三號(hào)80%的產(chǎn)品和技術(shù)都是新的，更新增了風(fēng)險(xiǎn)。

即使是在相對(duì)成熟的發(fā)射階段，其運(yùn)載火箭必須滿(mǎn)足高可靠性、高安全性和高質(zhì)量的“三高”要求，這種要求極為苛刻。

航天專(zhuān)家透露，在完全串聯(lián)系統(tǒng)中，若火箭零部件的可靠性為0.99999，即10萬(wàn)個(gè)零件中有故障的不多于1個(gè)，這種情況下組裝的火箭的可靠性卻只有可憐的0.37，也就是發(fā)射3枚火箭就有可能失敗1枚。而要使火箭的可靠性達(dá)到0.9999，就要求零件的可靠性達(dá)到0.99999999，也就是說(shuō)，1億個(gè)零件中，不可靠的都不能多于1個(gè)。

此次執(zhí)飛嫦娥三號(hào)發(fā)射任務(wù)的是長(zhǎng)征三號(hào)乙增強(qiáng)型運(yùn)載火箭。長(zhǎng)征三號(hào)乙是我國(guó)目前運(yùn)載能力最大、技術(shù)最先進(jìn)、構(gòu)成最復(fù)雜的運(yùn)載火箭，代表我國(guó)目前運(yùn)載火箭技術(shù)的最高水平，在世界航天界也居前列。

長(zhǎng)征三號(hào)乙增強(qiáng)型火箭在長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭的基礎(chǔ)上開(kāi)展了六大專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，科研人員借鑒成功率更高的用于載人航天發(fā)射的長(zhǎng)征2F技術(shù)對(duì)長(zhǎng)三乙運(yùn)載火箭進(jìn)行了9項(xiàng)可靠性上升改進(jìn)項(xiàng)目，飛行可靠性由原來(lái)的0.938提升至0.942，以確保嫦娥三號(hào)完美落月。

盡管有風(fēng)險(xiǎn)，但我國(guó)探索太空計(jì)劃依然雄心勃勃。

按照此前中科院公布的我國(guó)科技發(fā)展路線圖，其中2050年空間科技發(fā)展路線圖明確提出，2030年前后我國(guó)實(shí)現(xiàn)載人登月，建立月球基地，2050年前后，載人飛行從月球基地飛向更遠(yuǎn)的行星，具備載人登火星能力。

“載人登月目前尚沒(méi)有時(shí)間表和明確的、精細(xì)的路線圖。”龐之浩認(rèn)為，載人登月、建立駐月基地以及載人登火星只是科學(xué)家的建議，目前我國(guó)探月工程進(jìn)展至“繞”“落”“回”三步中的第二步。

“若嫦娥三號(hào)一切順利，嫦娥四號(hào)則會(huì)做一些改進(jìn)，更換落月點(diǎn)。”龐之浩告訴《我國(guó)新聞周刊》，嫦娥四號(hào)是嫦娥三號(hào)的備份星，其任務(wù)與嫦娥三號(hào)相同。

我國(guó)科學(xué)院院士、我國(guó)月球探測(cè)工程首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)同樣在嫦娥三號(hào)發(fā)射前勾畫(huà)了探月工程的未來(lái)，嫦娥五號(hào)要降落在月球上，探測(cè)取樣后實(shí)現(xiàn)月面起飛，然后繞月飛行。由于嫦娥五號(hào)沒(méi)有能量飛回地球，要在發(fā)射嫦娥五號(hào)時(shí)，同時(shí)發(fā)射一條飛船在月球外面繞飛，在月球軌道等嫦娥五號(hào)上來(lái)與其交會(huì)對(duì)接，并將其帶回地球。

由于嫦娥五號(hào)的有效載荷太重太大，要研制新火箭進(jìn)行發(fā)射。據(jù)了解，新的長(zhǎng)征五號(hào)火箭正在研制中，這是一款直徑為5米的重型運(yùn)載火箭，目前已突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)入到試樣階段，并預(yù)計(jì)于2015年左右在我國(guó)海南省文昌衛(wèi)星發(fā)射中心首飛。