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嫦娥三號探測器

由著陸器和巡視器(玉兔號月球車)組成

嫦娥三號探測器,是我國嫦娥探月工程二期的一部分,是為了在月球軟著陸的無人登月探測器。嫦娥三號探測器由著陸器和月面巡視器(又稱“玉兔號”月球車,英文:Yutu)組成。

嫦娥三號探測器于2013年12月2日在西昌衛星發射中心長征三號乙運載火箭送入太空,并于當月14日成功軟著陸于月球虹灣著陸區,15日完成著陸器巡視器分離。在進入第二次月夜休眠前,受復雜月面環境的影響,月球車的機構控制出現異常。目前,嫦娥三號著陸器工作狀態良好,月球車出現異常不能行走,但依存存活。

嫦娥三號成功著陸月球,使中國成為繼前蘇聯、美國之后,世界第三個實現月球軟著陸的國家。

名稱嫦娥三號包括著陸器和巡視器
研制國家中華人民共和國研制單位中國空間技術研究院(航天五院)
發射時間2013年12月2日1時30分著陸時間2013年12月14日21時11分
發射場西昌衛星發射中心運載工具長征三號乙增強型運載火箭

著陸器

嫦娥三號著陸器

圖:嫦娥三號著陸器

在嫦娥三號配置的多種科學探測儀器中,有三臺儀器都將實現國際上首次科學探測。

1、在著陸器的頂部安裝了一臺近紫外光學望遠鏡,將實現國際上首次利用月基光學望遠鏡開展重要天體光變的長期連續監測和低銀道帶的巡天觀測。主要監測致密雙星、活動星系核、短周期脈動變星等。

2、在著陸器的頂部安裝了一臺極紫外相機,將對地球周圍的等離子體層產生的30.4nm輻射進行全方位、長期的觀測研究。這是國際上首次在月面上利用極紫外相機對地球空間等離子體層實施大視域一次性的極紫外成像,從整體上探測太陽活動和地磁擾動對地球空間等離子層極紫外輻射的影響,研究等離子層在空間天氣過程中的作用,并能提高我國空間環境監測和預報能力。

3、在月球車的底部安裝一臺測月雷達,這是國際上首次直接探測30米深度內月壤層的結構與厚度和數百米深度內月殼淺層的結構。

巡視器

玉兔號月球車

圖:玉兔號月球車

嫦娥三號巡視器,又稱玉兔號月球車。玉兔號月球車設計質量140千克,能源為太陽能,能夠耐受月球表面真空、強輻射、攝氏零下180度到零上150度極限溫度等極端環境。月球車具備20度爬坡、20厘米越障能力,并配備有全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達、粒子激發X射線譜儀等科學探測儀器。

2013年12月15日4時35分,嫦娥三號著陸器與巡視器分離,“玉兔號”巡視器順利駛抵月球表面。2013年12月15日23時45分完成玉兔號圍繞嫦娥三號旋轉拍照,并傳回照片。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,受復雜月面環境的影響,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蘇醒,狀態趨于好轉,但是如果出現問題的“機構”仍然有待進一步恢復。

研制歷程

2012年初,嫦娥三號轉入初樣研制。

2012年1月,月球著陸器的懸停避障及緩速下降等各項驗證性試驗完成。

2012年3月,探月工程二期嫦娥三號任務正式由初樣研制轉入正樣研制。

2012年8月,嫦娥三號著陸器正式開始了正樣階段測試。

2012年11月,嫦娥三號著陸器熱試車力學試驗工作完成。

2013年5月,嫦娥三號開始最后一項大型系統試驗——熱試驗。

2013年8月,嫦娥三號任務由研制建設階段轉入發射實施階段。

2013年9月,嫦娥三號探測器各部件搭乘大型專用貨機運抵西昌。

2013年12月2日,“嫦娥三號”從西昌衛星發射中心成功發射。

2013年12月6日,嫦娥三號準確進入環月近圓軌道。

2013年12月14日,嫦娥三號成功著月,降落相機傳回圖像。

任務簡介

發射

2013年12月2日1時30分,嫦娥三號月球探測器搭載長征三號乙火箭發射升空。嫦娥三號攜帶有一臺無人月球車,重3噸多,是我國設計最復雜的航天器。

地月轉移軌道

與嫦娥一號發射時采用調相軌道不同,這次長征三號乙火箭將直接將嫦娥三號送入地月轉移軌道。火箭第三級在進入地月軌道后,才與嫦娥三號分離,之后嫦娥三號經過若干次中途軌道修正,即可抵達月球。

進入繞月軌道

嫦娥三號在接近月球時,主發動機點火減速,以被月球引力捕獲進入橢圓形繞月軌道。之后,嫦娥三號還要進行2次減速,精確進入100公里高度的圓形繞月軌道。嫦娥三號在圓形軌道上待機,時機適合才能實施月球軟著陸。

著陸月球

著陸階段,嫦娥三號要先點火減速,進入100公里×15公里橢圓形軌道。然后在15公里近月點,主發動機開始長時間啟動減速,到距月面2公里高度時速度降至0。隨后,嫦娥三號將姿態改為懸停式垂直下降,并自動尋找平坦月面,實施著陸。

探測

嫦娥三號著陸后,釋放搭載在頂部的月球車。嫦娥三號將與月球車一起開展為期90天的探月任務,包括月面多光譜成像、月基天文觀測、月壤結構及成分分析等。其中的月壤分析需月球車將月壤抓取在車內進行分析。

月球車會將月面多光譜成像、月基天文觀測、月壤分析等的數據及月表照片傳回地球。此外分開工作的著陸器和月球車可互相監視,用各自攜帶的相機“互拍”,屆時著陸器就會拍下月球車上的國旗標志,再傳回地面。

玉兔號月球車的設計壽命為三個月。任務結束后,嫦娥三號(包括著陸器和月球車)將停留在月球,不再回到地球。

降落過程

1、首先嫦娥三號在接近月球后要進行減速,通過嫦娥三號底部的主發動機,通過反作用力減速,使嫦娥三號被月球引力捕獲,進入距月面100公里高的圓軌道。

2、嫦娥三號在100公里高的圓軌道運行數圈后,再次減速,進入100公里×15公里的橢圓形軌道。

3、嫦娥三號在15公里高度近月點再次減速,然后,嫦娥三號將沿著一條拋物線向月面落下去。

4、在嫦娥三號距離月面2000米高度時,嫦娥三號會將姿態調整為垂直、底部朝下,主發動機保持工作,以“懸停”姿態向月面緩緩降落。

5、嫦娥三號通過監視相機,在著陸過程中識別月面巖石、隕石坑等障礙,自動的平移至平坦區域降落。

6、在嫦娥三號降至距月面4米高度時,主發動機關機,嫦娥三號以自由落體方式降落到月面上。

虹灣著陸點及坐標

嫦娥三號著陸區及坐標

圖:嫦娥三號著陸區及著陸點坐標

工程目標

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、研制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、地面應用等在內的功能模塊,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、地球等離子體層探測和月基光學天文觀測。

技術突破

著陸減速

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,研制團隊經過反復論證,提出“變推力推進系統”的設計方案,研制出推力可調的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:大于30次

工作時間:累計工作時間大于4000S,單次最長工作時間:大于2000S

起動和關機響應:<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)、激光測距敏感器、微波測距敏感器、微波測速敏感器、光學成像敏感器、激光三維成像敏感器、圖像數據處理計算機、水平機動推力器。

避障程序: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于1.5m。

著陸緩沖

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。

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、夜里,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,嫦娥三號采用了全球首創的熱控兩相流體回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

探測器系統由中國航天科技集團公司負責,主要任務是研制嫦娥三號月球探測器。嫦娥三號探測器由著陸器和巡視器兩器組成。著陸月面后,在測控系統和地面應用系統支持下,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制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

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

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。

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后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深空測控站及遙操作系統,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

地面應用系統

地面應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;制定科學探測計劃和有效載荷運行計劃,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;使用北京密云50m和云南昆明40m口徑兩個地面站并行工作,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,組織開展科學應用研究;受探月與航天工程中心委托,管理科學探測數據并按規定分發數據產品。

美國月球探測器拍到嫦娥三號

盡管此次探月任務沒有跟美國航空航天局(NASA)展開任何形式的合作,但NASA將此事件視作“對月球稀薄大氣開展研究和觀測”的絕好契機,并用目前在月球軌道上的4顆衛星對嫦娥三號著陸期間產生的塵埃進行探測。

美國LRO探測器拍攝到的嫦娥三號著陸器和月球車

圖:美國LRO探測器拍攝到的嫦娥三號著陸器和月球車

NASA的LRO探測器對嫦娥3號登月點進行多次高分辨率成像觀測,俯拍到正在月面上工作的嫦娥3號及玉兔號月球車的畫面。在嫦娥三號的著陸日期,LRO飛船將進行多達8次機動動作,使用萊曼成像設備(LAMP)對嫦娥三號的著陸位置進行掃描成像。圖中大箭頭所指的就是嫦娥三號月球探測器,小箭頭所指為“玉兔”號月球車。

LRO探測器相機所俯拍的嫦娥三號與嫦娥三號探測器拍攝的月面地形對比

圖:LRO探測器相機所俯拍的嫦娥三號與嫦娥三號探測器拍攝的月面地形對比

由于月球自身的自轉,此后每月都將會有一次機會讓嫦娥三號和玉兔處于LRO軌道位置的正下方,從而被LRO的相機攝入鏡頭。如此重復開展的觀測成像將讓科學家們可以觀察到由于嫦娥三號飛船的著陸以及玉兔號月球車的活動而在月面上造成的變化。上圖為LRO探測器相機所俯拍的嫦娥三號與嫦娥三號探測器拍攝的月面地形對比,可以看到兩個月面坑洼的位置是一致的。

國外關注

正面

《日本經濟新聞》在報道中指出,中國“嫦娥3號”成功登陸月球,使得中國成為擁有登月技術的第三個國家,中國從此與美國和俄羅斯一起成為世界三大登月國家。“嫦娥3號”登月成功與載人宇宙飛行的順利實施,是中國成為宇宙大國的最好證明。

日本《讀賣新聞》在報道中指出,“嫦娥3號”的登月成功,使得中國成為與美俄一樣的“宇宙大國”邁出了重大一步。“玉兔號”探測車今后將用3個月的時間對月球的地質構造和資源分布情況進行調查。“嫦娥3號”還將使用天體望遠鏡,實現世界第一次從月球觀察地球。

日本《每日新聞》則報道稱,“嫦娥3號”的登月成功,對中國新一屆政府來說,是發揚國威,確立與美國等同等“宇宙大國”地位的好機會。

“美國之音”報道評論稱,雖然“嫦娥三號”著陸引發了世界對于未來月球資源開發的爭論,但科學家們普遍認為,此次中國開啟了人類太空探索的新篇章。

英國《金融時報》評論稱,雖然尚不清楚月球表面下有什么樣的資源,以及是否是地球上十分稀有的,但中國將月球看成未來資源,這已成為一個公開的秘密。

法國《費加羅報》文章稱,盡管一些歐美專家仍在挑剔“玉兔”和“嫦娥”存在的不足之處,但在公眾眼中,中國已在本輪登月競賽中占得了先機。

美國全國廣播公司(NBC)報道稱,從休眠中被喚醒的“玉兔”已開始對月壤進行科學分析,這是1976年蘇聯“月球24號”后,在月球表面進行類似操作的第一個科學探測機器人。

美國NASA顧問委員會委員約翰·勞斯頓表達對“玉兔”蘇醒的祝賀。希望“玉兔”接下來一切順利,完成預期任務。

俄羅斯總統普京在莫斯科召開了一年一度的大型記者招待會上,對中國成功發射月球探測器和月球車表示了祝賀。他說:“我衷心祝賀中國人民和專家實現了探測器和第一個月球車在月球表面的成功著陸。俄羅斯以及全世界都期待著這一試驗的成果。這充分說明了中國在科技方面取得的巨大成就。未來雙方將在這方面繼續互相支持。”

德國媒體稱,這是中國在雄心勃勃的太空計劃中邁出的又一步。

負面

美國《每日秀》節目主播約翰·斯圖爾特在節目中嘲笑比美國晚登月數十年的中國“玉兔”這么快就“死”在月球上。

日本律師作花知志公開撰文,指責中國“玉兔”赴月是為掠奪屬于全人類的宇宙資源,并呼吁國際社會就此立法保護人類共同財產。

美國航空航天局專家認為,“嫦娥三號”飛船所燃燒的火箭推進劑將會污染月球外層大氣,嚴重影響LADEE探測器科學使命的完成效果和實驗結果。 

嫦娥三號探測器
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最新更新:2015-08-07 11:05
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