嫦娥三號

嫦娥三號

嫦娥三號是中國國家航天局嫦娥工程第二階段的登月探測器,嫦娥三號由著陸器和巡視探測器(即“玉兔號”月球車)組成,進行首次月球軟著陸和自動巡視勘察,獲取月球內部的物質成分並進行分析,將一期工程的“表面探測”引申至內部探測。整個嫦娥三號任務組織實施體系由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控通信、地面套用五大系統組成。2014年12月14日21時14分,嫦娥三號登入月球已滿一周年,北京航天飛控中心也實現了精心護航嫦娥三號著陸器月面安全工作一年的預定工程目標。自2013年12月14日月面軟著陸以來,我國嫦娥三號月球探測器創造了全世界在月工作最長紀錄。其拍攝的月面照片不久前首次公布。據悉,這些照片是人類時隔40多年首獲最清晰月面照片,其中包含大量科學信息,照片和數據向全球免費開放共享。2016年1月5日上午,國防科工局正式發布國際天文學聯合會批准的嫦娥三號探測器著陸點周邊區域命名為“廣寒宮”,附近三個撞擊坑分別命名為“紫微”、“天市”、“太微”。此次成功命名,是以中國元素命名的月球地理實體達到22個。

基本信息

任務目標

工程目標

嫦娥三號探測器嫦娥三號探測器

一、突破月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運載火箭發射等關鍵技術,提升航天技術水平。

二、研製月面軟著陸探測器和巡視探測器,建立地面深空站,獲得包括運載火箭、月球探測器、發射場、深空測控站、地面套用等在內的功能模組,具備月面軟著陸探測的基本能力。

三、建立月球探測航天工程基本體系,形成重大項目實施的科學有效的工程方法。

科學任務

一、月表形貌與地質構造調查。

二、月表物質成分和可利用資源調查。

三、地球電漿層探測和月基光學天文觀測。

技術突破

著陸減速

嫦娥三號嫦娥三號

月球表面無大氣,因此,嫦娥三號無法利用氣動減速的方法著陸,只能靠自身推進系統減小約1.7公里每秒的速度,在此過程中探測器還要進行姿態的精確調整,不斷減速以便在預定區域安全著陸。為了保證著陸過程可控,研製團隊經過反覆論證,提出“變推力推進系統”的設計方案,研製出推力可調的7500N變推力發動機,經過多次點火試車和相關試驗驗證,破解著陸減速的難題。

7500N發動機主要技術指標
真空推力:8250N至1200N

真空比沖:3028Ns/kg(309S)

混合比:1.65%±2%

起動次數:大於30次

工作時間:累計工作時間大於4000S,單次最長工作時間:大於2000S

起動和關機回響:<400ms和<200ms

外形尺寸:830mm*1460mm

結構質量:39kg

GNC系統

中國空間技術研究院著陸器GNC(制導導航與控制)系統主任設計師介紹,探測器動力下降過程是一個時間較短、速度變化很大的過程,無法依靠地面實時控制。對此,GNC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。

所用設備:自主導航的慣性測量單元(IMU)、雷射測距敏感器、微波測距敏感器、微波測速敏感器、光學成像敏感器、雷射三維成像敏感器、圖像數據處理計算機、水平機動推力器。

避障程式:接近段,懸停段、避障段、緩速下降段。

結論:著陸器自主避障精度優於1.5m。

著陸緩衝

研製團隊充分考慮了月壤物理力學特性對著陸衝擊、穩定性的影響以及月塵的理化特性等,採用特殊的材料、設計和工藝,研製出全新的著陸緩衝系統,解決上述難題,確保探測器實施軟著陸過程中,在一定姿態範圍內不翻倒、不陷落,並為探測器工作提供牢固的支撐。

月面生存

月球表面光照條件變化大,晝夜溫差超過300℃,白晝時溫度高達150℃,黑夜時溫度急劇下降到-180℃。在長達地球14天的晝、夜裡,探測器面臨著月晝高溫下的熱排散問題和月夜沒有太陽能可利用情況下如何保證溫度環境的問題。為了能夠應付極端溫度條件下的惡劣環境,嫦娥三號採用了全球首創的熱控兩相流體迴路以及此前從未在星上用過的可變熱導熱管,攻克月面生存的難題。

五大系統

探測器系統

長征三號乙運載火箭長征三號乙運載火箭
探測器系統由中國航天科技集團公司負責,主要任務是研製嫦娥三號月球探測器。嫦娥三號探測器由著陸器和巡視器(俗稱月球車)兩器組成。著陸月面後,在測控系統和地面套用系統支持下,探測器攜帶的有效載荷開展科學探測。

運載火箭系統

運載火箭系統的主要任務是研製長征三號乙改進型運載火箭,在西昌衛星發射中心,將嫦娥三號探測器直接發射至近地點高度200公里、遠地點高度約38萬公里的地月轉移軌道。

編號:長征三號乙增強型遙23號

級數:三級火箭

助推器:4個

高度:54.8米

直徑:3.25米

起飛重量:459噸

有效載荷:3780公斤(地月轉移軌道)

可靠性:0.942

總設計師:姜傑

發射場系統

西昌衛星發射中心承擔嫦娥三號發射任務。發射場系統通過適應性改造,具備長征三號乙改進型火箭的測試發射能力。時隔40多年首獲最清晰月面照片

自2013年12月14日月面軟著陸以來,我國嫦娥三號月球探測器創造了全世界在月工作最長紀錄。其拍攝的月面照片不久前首次公布。據悉,這些照片是人類時隔40多年首獲最清晰月面照片,其中包含大量科學信息,照片和數據向全球免費開放共享。

測控系統

測控系統的主要任務是運載火箭、探測器在各飛行階段及探測器在月面工作階段的測控、軌道測量與確定、月面目標定位以及落月後著陸器和月面巡視器的控制。該系統主要由運載火箭測控網,S頻段航天測控網、深空測控網、甚長基線干涉VLBI測軌分系統和國際聯網測控站組成。測控系統新建喀什35m、佳木斯66m深空測控站及遙作業系統,首次主用X頻段對探測器進行測控。

嫦娥三號地月轉移軌道
2013年12月2日01:49:00

半長軸:191038km

偏心率:0.965512

傾角:28.5deg

升交點赤經:335.289deg

近地點幅角:146.92deg

真近點角:17.6508deg

地面套用系統

地面套用系統的主要任務是:根據科學探測任務,研究提出有效載荷配置需求;制定科學探測計畫和有效載荷運行計畫,監視著陸器和巡視器有效載荷的運行狀態,編制有效載荷控制指令和注入數據,完成有效載荷運行管理;使用北京密雲50m和雲南昆明40m口徑兩個地面站並行工作,同時接收著陸器和巡視器的下行探測數據,進行本地儲存和備份;對科學探測數據進行處理、解譯,組織開展科學套用研究;受探月與航天工程中心委託,管理科學探測數據並按規定分發數據產品。

研製進度

嫦娥三號研製進度表

時間 研發項目 研發單位 備註
2008年3月 嫦娥三號設計工作開始 中國航天科技集團公司 嫦娥工程二期立項
2009年11月5日 月球探測器系統仿真與驗證廠房開工 航天五院 基建開始
2009年11月13日 嫦娥三號探測器完成方案設計 航天五院 方案轉初樣
2010年10月1日 成功發射探月工程二期的先導星嫦娥二號衛星 中國航天科技集團公司 嫦娥工程二期先導星
2011年1月20日 探月工程二期“嫦娥”三號著陸器推進分系統試車成功 研發單位航天801所,試車單位航天101所 登入器推進系統試車
2011年8月 嫦娥三號巡視器內場試驗開始 航天五院 內場試驗
2011年9月 已經完成各型試驗用探測器的總裝 航天五院 開始內外場、變推等試驗
2012年1月 完成月球著陸器的懸停避障及緩速下降試驗 航天五院 完成著陸試驗
2012年2月 嫦娥三號紅外成像光譜儀月面在軌定標技術研究通過轉正樣評審 中國科學院安徽光學精密機械研究所 嫦娥三號的紅外儀轉正樣
2012年2月21日 探月工程二期著陸器推進分系統總裝交付 航天801所 首個分系統交付
2012年3月13日 嫦娥三號轉入正樣研製 航天五院 初樣轉正樣
2012年7月8日 嫦娥三號完成發射場合練 航天科技集團 合練完成
2012年8月 嫦娥三號衛星開始正樣電測工作 航天五院 正樣電測
2012年9月27日 固體所承擔的CE-3著陸機構正樣產品通過驗收評審 中國科學院合肥物質科學研究院 著陸機構樣品
2012年11月 嫦娥三號著陸器熱試車力學試驗成功 航天五院 著陸器熱試車
2012年12月3日 嫦娥三號巡視器紅外成像光譜儀感測器控制FPGA通過測試 航天科工三院304所 有效載荷評審
2012年12月 嫦娥三號探測器進行兩器正樣EMC測試 航天五院總體部 EMC測試
2013年1月 發射嫦娥三號的長三乙火箭開始總裝 航天科技集團211廠 火箭總裝
2013年1月8日 嫦娥三號月球探測器啟動正樣階段獨立評估工作 航天科技集團、國防科工局 正樣評審
2013年1月 大口徑天線的航天測控站全面投入套用 北京跟蹤與通信技術研究所 大口徑天線投入使用
2013年2月 嫦娥三號伽瑪關機敏感器在月球著陸環境模擬裝置內的模擬試驗成功 航天五院508所 伽瑪儀
2013年3月 月球地形地貌相機研製成功 科學院光電技術研究所 效載荷地形地貌相機正樣產品
2013年4月 嫦娥三號進入熱試驗準備階段 航天五院五院總裝與環境工程部 熱試驗
2013年7月 嫦娥三號著陸緩衝試驗順利進行 航天五院508所 著陸緩衝試驗
2013年8月19日 嫦娥三號月球探測器正樣階段獨立評估圓滿結束 航天科技集團、國防科工局 正樣評審完成
2013年8月 審議批准了嫦娥三號任務由研製建設階段轉入發射實施階段 國防科工局 轉入發射階段
2013年9月12日 嫦娥三號運抵西昌發射場 航天五院 到達發射場
2013年10月1日 嫦娥三號地面套用系統軟體完成測試 航天科工三院304所 地面套用
2013年10月16日 嫦娥三號任務火箭通過出廠評審 航天一院 火箭評審通過
2013年10月27日 嫦娥三號任務運載火箭啟程 航天一院 火箭啟運
2013年11月8日 嫦娥三號探測器通過加注暨轉場前評審 航天科技集團公司 探測器加注
2013年11月 嫦娥三號順利轉場 航天科技集團公司 完成轉場
2013年11月 嫦娥三號探測器順利完成扣罩 航天科技集團公司 嫦娥三號上箭
2013年11月27日 嫦娥三號月球車定名玉兔號 航天科技集團公司 玉兔號
2013年11月30日 火箭開始常規推進劑加注 航天科技集團公司 推進劑加注
2013年12月1日 嫦娥三號任務將進入射前工作程式 航天科技集團公司 進入發射程式

過程

西昌衛星發射中心西昌衛星發射中心

2014年3月14日6時42分,“玉兔號”月球車收到了正常遙測信號,成功的自主喚醒。此前,嫦娥三號著陸器於2014年3月12日15時21分已實現自主喚醒。進入第四月晝工作期後,著陸器和月球車搭載的載荷重新開機,按計畫開展有效探測工作。

在此前三個月晝工作期,著陸器工作正常。著陸器上搭載的有效載荷月基天文望遠鏡、極紫外相機以及工程載荷月塵測量儀完成了既定的探測任務,獲得了大量的科學和工程數據。進入新的月晝工作期後,這些載荷將進行長期的有效探測,以獲得更多科學數據和探測成果。著陸器已轉入長期管理模式。

自2013年12月14日實現月面軟著陸以來,“玉兔號”月球車經歷了三個月。
夜極低溫度考驗,迎來了第四個月晝。按照工作計畫和相關程式,月球車將轉入長期管理模式。月球車此前出現的機構控制異常問題仍未排除,有關方面仍在繼續進行故障排查工作。月球車其它功能正常,車上的全景相機、測月雷達等四台有效載荷按計畫開展了科學探測。在此後的月晝工作期間,月球車搭載的設備將根據需要在地面控制中心的指揮控制下開展後續探測工作。

嫦娥三號著陸器和“玉兔號”月球車在三個月晝工作期間,圓滿完成了工程任務,獲取了大量工程數據和科學數據,為今後月球探測和科學研究打下了堅實基礎。

2016年2月,國家天文台對外發布了“嫦娥3號”在月面拍攝的全部圖像數據,其中包括數以千計此前從未被公開過的高清真彩色月面圖像。

2016年2月18日14時32分,設計壽命1年的嫦娥三號著陸器成功自主喚醒,已在月面運行管理797天,超期服役14個月,月基天文望遠鏡等有效載荷及工程參數測量設備工作正常。

2016年4月,嫦娥三號和玉兔月球車拍攝的迄今為止最清晰的月面高解析度全彩照片首次公布,讓全世界看到了一個真實的月球,也給全世界科學家研究月球提供了第一手資料。

關鍵技術

嫦娥-3的整個探測過程中,包括地月轉移、環月、軟著陸、巡視勘察幾個階段,需要攻克多項關鍵技術。它與嫦娥-1、2都不一樣,是一次性進入距月球100km高的圓軌道。因為能源受到限制,嫦娥-3運行一段時間後變成100km×15km的橢圓軌道。與發射、近月制動、變軌等階段相比,落月更為關鍵。著陸是從距月面15km時開始下降,要在短短的幾百秒內安全降落到月面預選著陸區,這是一個全新的、也是一個最重要的考驗。

這當中的主要技術成就是研製了很多新的敏感器:微波測距、測速敏感器、雷射測距敏感器、雷射三維成像敏感器和光學成像敏感器,都是為了確保探測器實現安全區著陸。一開始我們在全國招標,有的設備很多的單位想做卻做不下來,只好由中國空間技術研究院自己兜底,最後都成功研製出來了,由此也帶動了我國很多敏感器的研製工作。

因為月球沒有大氣層,不能使用降落傘減速,只能是一邊降落,一邊用變推力發動機把速度降下來。由於在落月過程中嫦娥-3發動機推力變化很大,傳統發動機無法達到所需的深度節流能力,所以相關單位專門研製了1500~7500N的變推力發動機,嫦娥-1、2是用490N發動機。7500N是國內最大的變推力發動機,除了用於軟著陸,它還用於奔月過程中的軌道修正和進入月球軌道的軌道制動。由於月球表面凹凸不平,為避開大石頭和大坑,在距月面約100m時,嫦娥-3能像直升機一樣懸停,實現自主避障,這是世界第一。另外,著陸器的4條著陸腿的設計也很重要,每條腿上有2根拉桿緩衝器,沒有液壓裝置,衝擊能量全部靠材料吸收,研製中也曾經歷了多次斷裂,現在成功了,看起來都很簡單,過程卻是艱辛的,這是完成“落”的問題。

非常可惜的是著陸腿的設計師陳天智去世了,倒在了工作崗位上。他是從小立志要一心乾航天的,三清學子(清華本碩博畢業),日本的博士後,很能幹,很優秀。一講起他,我都是要掉眼淚的。我為他寫了副輓聯:清華學子,出類拔萃,獻身航天事業;大功未成,將星西去,佑我嫦娥落月。他父母收藏了這副輓聯,並捎來口信:沒有什麼其他要求,就是嫦娥-3成功以後,希望體現一下孩子做的工作。我在嫦娥-3成功後,做了些工作,由探月中心頒發了一個證書,體現他在這個工程中所作的貢獻。

月球的1天約相當於地球的28天,月夜和月晝各占1/2。在月球上,受光部位的極限溫度可達150℃,夜間溫度會降到-180℃,有些地區甚至低至-200℃。為解決月球晝夜極端溫差的考驗,嫦娥-3首次採用了同位素熱源以及兩相流體迴路、可變熱導熱管、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、低重力環境下機構的重複展開與收攏技術、月塵環境下機構的潤滑與密封技術等,以確保探測器系統順利度過月夜:月夜時斷電,同位素熱源使溫度保持在-20℃以上;月晝時,通過光照自主喚醒工作。這是全球首創的重力驅動熱控兩相流體迴路以及此前從未在星上用過的可變熱導熱管,需要時將熱量導入艙內,不需要時切斷傳熱途徑。

嫦娥-3著陸器和玉兔號巡視器的設計壽命分別是1年和3個月。到目前為止,著陸器上的月基天文望遠鏡等有效載荷及工程參數測量設備工作正常。嫦娥-3月球著陸器已經創造了全世界在月工作的最長紀錄,到目前還在工作。

簡單說起來,嫦娥-3解決了“落得下去”、“走得起來”,而且壽命很長。

探月過程

2014年3月14日6時42分,“玉兔號”月球車收到了正常遙測信號,成功的自主喚醒。此前,嫦娥三號著陸器於2014年3月12日15時21分已實現自主喚醒。進入第四月晝工作期後,著陸器和月球車搭載的載荷重新開機,按計畫開展有效探測工作。

在此前三個月晝工作期,著陸器工作正常。著陸器上搭載的有效載荷月基天文望遠鏡、極紫外相機以及工程載荷月塵測量儀完成了既定的探測任務,獲得了大量的科學和工程數據。進入新的月晝工作期後,這些載荷將進行長期的有效探測,以獲得更多科學數據和探測成果。著陸器已轉入長期管理模式。

自2013年12月14日實現月面軟著陸以來,“玉兔號”月球車經歷了三個月

夜極低溫度考驗,迎來了第四個月晝。按照工作計畫和相關程式,月球車將轉入長期管理模式。月球車此前出現的機構控制異常問題仍未排除,有關方面仍在繼續進行故障排查工作。月球車其它功能正常,車上的全景相機、測月雷達等四台有效載荷按計畫開展了科學探測。在此後的月晝工作期間,月球車搭載的設備將根據需要在地面控制中心的指揮控制下開展後續探測工作。

嫦娥三號著陸器和“玉兔號”月球車在三個月晝工作期間,圓滿完成了工程任務,獲取了大量工程數據和科學數據,為今後月球探測和科學研究打下了堅實基礎。

2014年1月25日凌晨,嫦娥三號月球車進入第二次月夜休眠。但在休眠前,受複雜月面環境的影響,月球車的機構控制出現異常。2014年2月10日,第一次玉兔號喚醒失敗。2014年2月12日夜,玉兔號月球車已全面甦醒,狀態趨於好轉,但是出現問題的“機構”仍然有待進一步恢復。

2014年12月14日21時14分,嫦娥三號登入月球已滿一周年,北京航天飛控中心也實現了精心護航嫦娥三號著陸器月面安全工作一年的預定工程目標。

2016年1月5日上午,國防科工局正式發布國際天文學聯合會批准的嫦娥三號探測器著陸點周邊區域命名為“廣寒宮”,附近三個撞擊坑分別命名為“紫微”、“天市”、“太微”。此次成功命名,是以中國元素命名的月球地理實體達到22個。

2016年2月,國家天文台對外發布了“嫦娥3號”在月面拍攝的全部圖像數據,其中包括數以千計此前從未被公開過的高清真彩色月面圖像。

2016年2月18日14時32分,設計壽命1年的嫦娥三號著陸器成功自主喚醒,已在月面運行管理797天,超期服役14個月,月基天文望遠鏡等有效載荷及工程參數測量設備工作正常。

2016年4月,嫦娥三號和玉兔月球車拍攝的迄今為止最清晰的月面高解析度全彩照片首次公布,讓全世界看到了一個真實的月球,也給全世界科學家研究月球提供了第一手資料。

2016年8月4日,在超負荷工作19個月之後,嫦娥三號探測器正式退役,停止了長達31個月的工作。

2017年1月9日,嫦娥三號工程獲國家科學技術進步獎一等獎。

科研成果

完成首幅月球地質剖面圖
為了更好了解月球,“嫦娥三號”首次使用了一台新研製的測月雷達,利用它“嫦娥三號”完成了首幅月球地質剖面圖,展現了月球表面以下330米深度的地質結構特徵和演化過程,並發現了一種全新的岩石——月球玄武岩。通過這些數據,可以了解月球從形成到現在的演變歷史。

完成首次天體普查
在觀測太空方面,“嫦娥三號”上首次使用了一台光學望遠鏡,它就像是“嫦娥三號”著陸器的一雙眼睛。由於月球沒有大氣層,相當於一個沒有雲層的“透明”球體,所以在抬頭仰望太空的時候,就不會受到雲層的干擾。這樣一來,就可以把“目光”投向任何一片天空。

此外,由於月球轉動周期相對較慢,為觀測同一個天體的變化情況提供了便利。於是科學家利用月基光學望遠鏡,給月球北極上方區域的天體做了一次科學普查。

中科院國家天文台研究員魏建彥表示,這相當於人類的人口普查一樣,它是人類歷史上在紫外波段的第一次“巡天”。以後,天文學家在歷史上可以不斷用它做對比研究。

首次證明月球沒有水
長期以來,人們一直好奇月球上到底有沒有水。對於這個問題,月基光學望遠鏡給出的答案是:沒有。

中科院國家天文台研究員魏建彥稱:“我們測量了月球地表層以上水的含量,得到了有史以來最低的一個測量值,這個測量值符合預期。”這是首次明確證明月球上沒有水。

首次獲得地球電漿層圖像
“嫦娥三號”的另一個重要任務,就是觀察它的故鄉——地球。在地球周圍有幾道天然屏障,其中第一個就是電漿層,它可以延伸到地球表面以外四萬公里左右。著陸器上安裝的全球首個極紫外相機,就是專門用來觀測電漿層變化的設備。

太陽風暴形成的巨大脈衝,會對圍繞地球運轉的人造天體,比如導航衛星、通信衛星等的通信功能造成嚴重破壞。將電漿層變化作為監測太陽風暴的風向標,這是“嫦娥三號”獨有的本領。目前極紫外相機已獲取了1300多幅地球電漿層圖像數據。為空間天氣預報提供了大量依據,保障了地面通訊,以及地面與太空飛行器之間的通訊安全。

媒體評價

嫦娥三號拍攝的月球表面照片 嫦娥三號拍攝的月球表面照片

日本的《讀賣新聞》報導稱:若著陸成功,則標誌中國將成為繼前蘇聯、美國之後第三個實現月球軟著陸的國家。這是中國向航天大國邁進的重要一步。

日本的《日本經濟新聞》認為:中國的本次月球探測將進行核能資源的探測,以確保中國未來在月球上獲取能源的權益。

英國的路透社稱:中國周一凌晨將肩負首次登月任務的探測器嫦娥三號送入軌道,為中國太空計畫的一大重要里程碑。訊息稱,此次登月任務激發了民眾對中國科技實力日益增強的自豪感。若任務成功,中國將成為繼美國、蘇聯之後第三個“登月”的國家。

印度的NDTV稱:此次嫦娥三號探測器將對月球表面和自然資源進行探測。嫦娥三號的成功發射成為了中國空間探索計畫的重要里程碑。太空計畫的成功進行體現了中國國際地位的日益提高和不斷取得的科技進步。

美國的CNN以《嫦娥飛月中國空間探索十年大發展》為題報導了嫦娥三號探測器的發射。訊息稱中國將成為繼美蘇後,第三個將探測器著陸在月球表面的國家,這一新的空間探索成就距離中國將太空人送上太空僅有十年的時間。當前,全球只有美國、蘇聯成功實施了無人月球表面軟著陸;只有美國實現了載人登月,蘇聯開展了兩次月面無人巡視探測任務。

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