嫦娥-3著陸器在月面工作示意圖（神舟傳媒 制）

嫦娥-3任務(wù)由探測器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控和地面應(yīng)用五大系統(tǒng)構(gòu)成，其中最引人注目的探測器系統(tǒng)由中國航天科技集團(tuán)公司中國空間技術(shù)研究院為主承擔(dān)，其有效載荷由中國科學(xué)院負(fù)責(zé)研制。它的寬度為4m、高有4.2m，發(fā)射質(zhì)量3780kg，其中干質(zhì)量1220kg。落月后，在測控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)支持下，嫦娥-3攜帶的有效載荷開展科學(xué)探測。嫦娥-3由著陸器和巡視器（又叫玉兔號(hào)月球車）組成，其中的著陸器在嫦娥-3軟著陸過程中起著舉足輕重的作用，并裝有2臺(tái)在世界上首次應(yīng)用的科學(xué)探測儀器。

1 著陸器性能優(yōu)異

嫦娥-3的著陸器是我國成功開發(fā)的新型航天器平臺(tái)，采用了梁板復(fù)合式結(jié)構(gòu)和可大范圍伸縮的四腿式著陸緩沖機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了自主式、高精度的分段減速懸停式無人著陸控制方案,能夠自動(dòng)智能選定著陸點(diǎn)、進(jìn)行精確懸停著陸，是我國迄今為止最復(fù)雜的航天器之一。

其質(zhì)量為1080kg，設(shè)計(jì)壽命12個(gè)月，由結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)，著陸緩沖，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制，推進(jìn)，熱控，測控?cái)?shù)傳，定向天線，數(shù)據(jù)管理，一次電源，總體電路，有效載荷共11個(gè)分系統(tǒng)以及工程參數(shù)測量設(shè)備等組成，要掌握著陸自主導(dǎo)航控制、著陸變推力推進(jìn)系統(tǒng)、著陸緩沖系統(tǒng)、月面生存熱控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)嫦娥-3完成發(fā)射、飛行到達(dá)月球時(shí)，著陸器采取不同制導(dǎo)方式，從距月面15km處開始動(dòng)力下降，經(jīng)過主減速、快速調(diào)整、接近、懸停、避障、緩速下降等飛行階段，實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)、燃料省、誤差小的安全著陸。

在著陸器實(shí)現(xiàn)月球表面軟著陸后，首先由著陸器為玉兔號(hào)月球車充電，對(duì)玉兔號(hào)進(jìn)行初始化；之后，玉兔號(hào)與地面建立通信鏈路，控制連接解鎖機(jī)構(gòu)解鎖，走上轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)；接著，著陸器將控制轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到月面，玉兔號(hào)駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，開始3個(gè)月的月面巡視勘察。

嫦娥-3探測器系統(tǒng)著陸器副總設(shè)計(jì)師張熇說：著陸器的功能是先實(shí)現(xiàn)地月飛行，然后軟著陸到月面上，最后留在月面上開展就位探測。嫦娥-3與嫦娥-1、2最大的不同是動(dòng)力下降段的著陸。著陸主要有三大關(guān)鍵技術(shù)需要攻克，一是著陸的自主導(dǎo)航控制；二是著陸的推進(jìn)技術(shù)，我國首次采用了電功率發(fā)動(dòng)機(jī)；三是著陸的緩沖技術(shù)。著陸器還涉及到其他一些關(guān)鍵技術(shù)，比如說發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流對(duì)探測器的影響。再有就是著陸的力學(xué)環(huán)境，因?yàn)樽罱K著陸撞擊月面，經(jīng)過緩沖后還是會(huì)對(duì)設(shè)備帶來一定的力學(xué)沖擊，專家在做了大量的研究后，對(duì)著陸以后要工作的設(shè)備提出糾正力學(xué)環(huán)境條件考核，這個(gè)也是以前的航天器所沒有遇到過的問題。另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是月塵，月面上有一層薄薄的月壤，表面這層很細(xì)的月壤在著陸器的發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流的作用下，會(huì)揚(yáng)起一定的月塵。月塵落到探測器上對(duì)光學(xué)敏感的設(shè)備等都會(huì)有影響。因?yàn)橹懙臅r(shí)候如果帶著很大的太陽電池翼，一沖擊端板可能就會(huì)折斷。所以研制了一種全新的可重復(fù)展收的太陽電池翼，這也是以前航天器上沒有用過。飛行過程中把太陽電池翼展開，著陸前把它收起來，著陸到外面后再把它展開，這里面的一些相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)都解決了。

為嫦娥-3著陸器安裝著陸腿（裴英 攝）

據(jù)探測器系統(tǒng)著陸器著陸緩沖分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師楊建中介紹：嫦娥-3著陸緩沖分系統(tǒng)跟“阿波羅”的緩沖機(jī)構(gòu)有些相似。著陸緩沖機(jī)構(gòu)主要用來緩沖著陸器的沖擊能力，俗稱也是著陸腿。嫦娥-3的著陸腿可用8個(gè)字來概括它的特點(diǎn)，即強(qiáng)、輕、柔、穩(wěn)、多、新、全、難。強(qiáng)是因?yàn)樗惺苤懫鞯臎_擊，一定要有足夠的強(qiáng)度，不能在著陸過程中裂了、斷了、折了。為了降低成本，它還要盡可能的輕，即在輕的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)強(qiáng)。三個(gè)是柔，即通過相應(yīng)的緩沖材料保證著陸器以非常柔和、舒適的方式來著陸，確保著陸器和儀器設(shè)備的安全。四是穩(wěn)，通過四條著陸腿的協(xié)調(diào)工作，保證著陸過程中姿態(tài)非常穩(wěn)定，而不是以很傾斜的方式，甚至翻倒。五是多，著陸腿的功能實(shí)際不僅僅是緩沖，還有很多，比如收攏、展開、支撐，最后還有指示，在足底上，形象稱它為鞋底兒有開關(guān)，一旦觸月，它就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，一旦這個(gè)信號(hào)穩(wěn)定地傳輸過來，就意味著穩(wěn)定落月。六是新，它體現(xiàn)在兩個(gè)方面，結(jié)合中國落月任務(wù)的特點(diǎn)打造出了“中國腿”，個(gè)性很鮮明；在打造“中國腿”的過程中，帶動(dòng)了相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展。七是全，實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越和團(tuán)隊(duì)建設(shè)的雙豐收。八是難，從上面七特點(diǎn)看，打造“中國腿”不但要克服了很多研制中的困難，還有克服了驗(yàn)證上的困難，特別是全面驗(yàn)證的困難。

著陸器攜帶了地形地貌相機(jī)、降落相機(jī)、極紫外相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡4種有效載荷以及著陸器電控箱進(jìn)行就位探測，配置的工程載荷有監(jiān)視相機(jī)和月塵測量儀。

2 著陸器攜帶的儀器

（1）地形地貌相機(jī)

地形地貌相機(jī)裝在相機(jī)指向機(jī)構(gòu)上，隨相機(jī)指向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。它主要由遮光罩、光學(xué)鏡頭、電子學(xué)單元、圖形壓縮板組成；波段范圍為可見光，成像方式為靜態(tài)拍照與動(dòng)態(tài)攝像交替切換。它用于獲取著陸區(qū)的光學(xué)成像，繪制著陸區(qū)地形、地貌圖，獲取著陸區(qū)月表的形貌特征，研究月表地形地貌。其特點(diǎn)是重量輕、功耗小，可以拍視頻，但只有15個(gè)地球日的壽命，即在月表只工作一個(gè)月晝，因?yàn)樵俣嗯木褪侵貜?fù)拍攝了。

嫦娥-3著陸器結(jié)構(gòu)圖

鏈接：等離子體層是地球磁場跟太陽風(fēng)相互作用的近地空間環(huán)境，在地球軌道上用衛(wèi)星觀測地球等離子體層，只能看到局部，看不到全貌。嫦娥-3遠(yuǎn)離地球，所以能夠看到地球等離子層的全貌，而且一看就是半個(gè)地球，可以連續(xù)看13.5天,即能長期地、全面地、整體地看，長時(shí)間地跟蹤觀測可以從整體上探測太陽活動(dòng)、地磁擾動(dòng)對(duì)地球空間等離子體層的影響，關(guān)鍵是可以觀測到動(dòng)態(tài)和變化，獲取地球等離子體層三維圖像。還有觀點(diǎn)認(rèn)為，地球上一些自然災(zāi)害與地球等離子體層有關(guān)，這也是有可能的，因?yàn)榈厍蛏虾芏嘧匀滑F(xiàn)象都跟太陽活動(dòng)有關(guān)，所以相關(guān)的研究也具有科學(xué)意義。

（2）降落相機(jī)

降落相機(jī)的光學(xué)、結(jié)構(gòu)、電子學(xué)系統(tǒng)和溫控采用一體化綜合設(shè)計(jì)，主要由遮光罩、光學(xué)鏡頭、電子學(xué)和機(jī)箱組成；波段范圍為可見光，正常成像距離為不小于4m。它用于在著陸器動(dòng)力下降過程中，在2km～4m各個(gè)高度獲取著陸區(qū)域的光學(xué)成像，即月貌特征圖、地形地貌圖像，從而分析著陸區(qū)月表的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)情況。它僅在著陸過程中使用，并給月球車要走的路徑拍一個(gè)詳細(xì)的地圖，對(duì)月貌特征進(jìn)行黑白成像。

（3）極紫外相機(jī)

極紫外相機(jī)安裝在著陸器的頂部，主要包括三個(gè)部分。一是光學(xué)系統(tǒng)，二是成像探測器，三是跟蹤功能系統(tǒng)。它通過對(duì)地球周圍的等離子體層進(jìn)行全方位、長期的觀測研究，可獲取地球等離子體層三維圖像，用于在月晝期間進(jìn)行對(duì)地球周圍的等離子體層進(jìn)行極紫外成像探測。

極紫外相機(jī)是世界上首次在月球上應(yīng)用。它既可拍攝月球的地形地貌，也能在飛行過程中拍攝地球，它將利用月球穩(wěn)定、真空環(huán)境，對(duì)地球周圍的等離子層空間環(huán)境的整體變化進(jìn)行長達(dá)1年的全方位穩(wěn)定觀測，包括離子體層的密度、結(jié)構(gòu)變化，反映地球空間大范圍的環(huán)境變化，探測地球等離子體層的變化特點(diǎn)，提高中國空間環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)能力。這有助于了解太陽和地球的相互關(guān)系。地球等離子體層可以阻擋大部分太陽風(fēng)落到我們地球表面，阻擋絕大部分高能的宇宙射線進(jìn)入地球，是地球的一個(gè)保護(hù)屏障，它的變化對(duì)我們地球的空間天氣影響很大，也可能影響地球的生存。人造地球衛(wèi)星也可以看到更詳細(xì)的變化，但是無法掌握實(shí)時(shí)的、整體性的規(guī)律。

地形地貌相機(jī)（左）（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

降落相機(jī)（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡反射鏡和轉(zhuǎn)臺(tái)（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

極紫外相機(jī)（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 供圖）

鏈接：空間望遠(yuǎn)鏡也不會(huì)受到大氣層的擾動(dòng)，但是由于沒有固定的地方，容易受到太空碎片的影響。月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡比軌道觀測又進(jìn)了一步。月球大約27個(gè)地球日才自轉(zhuǎn)一周，所以可對(duì)一個(gè)目標(biāo)開展長達(dá)300多小時(shí)的持續(xù)跟蹤。另外，月球上引力場的微弱，減輕了儀器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和制造的困難，而且對(duì)儀器的操作和控制也變得更為容易。這次攜帶天文月基望遠(yuǎn)鏡更多是試驗(yàn)性質(zhì)，看設(shè)備能否運(yùn)行正常，如果這次試驗(yàn)可行，以后會(huì)在月球上安裝更大的望遠(yuǎn)鏡，即在月球上建立天文臺(tái)。

（4）月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡由望遠(yuǎn)鏡主體和反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)組成，用于在近紫外波段對(duì)各種天文變源的亮度變化行為進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測，在月晝期間進(jìn)行月基光學(xué)天文觀測。它是以月球?yàn)榛赜^測天文的設(shè)備，將在世界上首次實(shí)現(xiàn)月基天文觀測，可對(duì)重要天體的光變進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測并對(duì)低銀道帶進(jìn)行巡天觀測,連續(xù)觀測時(shí)間更長，看得更遠(yuǎn)。因?yàn)樵虑蛏嫌刑厥獾目臻g環(huán)境：高真空、無大氣、低磁場、弱重力、無污染、地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、宇宙射線豐富，沒有電離層和磁層的干擾以及各種人為活動(dòng)和污染，所以這臺(tái)高精度望遠(yuǎn)鏡將“看”得更遠(yuǎn)更清晰，進(jìn)一步擴(kuò)展人類的眼界，可能會(huì)有一些新發(fā)現(xiàn)。由于近紫外月面天文望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)創(chuàng)性，2012年9月國際月球觀測臺(tái)協(xié)會(huì)（ILOA）和中國國家天文臺(tái)（NAOC）簽訂協(xié)議，共享嫦娥-3著陸器上的近紫外月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡望和谷歌月球探月競賽（Google Luna X Prize）中ILO-X探測器的銀河系圖片數(shù)據(jù)，這將是中美近年來在航天領(lǐng)域的首次合作。

據(jù)探月工程二期副總設(shè)計(jì)師孫輝先介紹：在地球上想看天文都要透過大氣看，而大氣會(huì)引起光的散射。月球上沒有大氣，在月球上看就能避免這一點(diǎn)，而且還比較固定。月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是觀測紫外的光，這個(gè)波段在地球上是看不到的。因?yàn)檫@個(gè)波段進(jìn)入到地球時(shí)全部被大氣所吸收了。它有兩個(gè)特點(diǎn)，一是它不完全是搖控，而是通過地面系統(tǒng)發(fā)一個(gè)命令自主展開。二是選擇了一個(gè)叫極紫外的波段，這個(gè)波段在地球地面上是不可能觀測到的，它必須要空間去完成。這個(gè)波段對(duì)一些星體的突然爆發(fā)現(xiàn)象非常敏感。整個(gè)國際天文界可以共享我國獲得的探測資料。月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡要連續(xù)工作一年。

著陸器有效載荷電控箱由中科院空間中心研制。它由計(jì)算機(jī)單元、電源配電單元、遙測及總線單元、測控接口單元、地形地貌相機(jī)電子學(xué)單元、極紫外電子學(xué)單元、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡電子學(xué)單元組成，用于將各個(gè)有效載荷電子學(xué)部分統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì)，將功能相似或相近的資源共享，提高資源利用率。

嫦娥-3著陸器馱著玉兔號(hào)月球車在月面軟著陸示意圖（神舟傳媒 制）

（5）著陸器有效載荷月面工作模式

1）有效載荷在發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段不工作。

2）在動(dòng)力下降段，降落相機(jī)開機(jī)工作，在2km～4m各個(gè)高度獲取降落區(qū)域的月貌特征圖。

3）著陸在月面后，降落相機(jī)關(guān)機(jī)。

4）著陸月面后第一個(gè)月晝，有效載荷地形地貌相機(jī)、極紫外相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和著陸器有效載荷電控箱開機(jī)工作，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)。

5）地形地貌相機(jī)工作壽命為15個(gè)地球日，第一個(gè)月晝完成所有科學(xué)探測，不過月夜。

6）極紫外相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡工作壽命1年，在月夜期間關(guān)機(jī)進(jìn)入保溫模式。

7）第2個(gè)月球日的月晝，極紫外相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和著陸器有效載荷電控箱開機(jī)工作，進(jìn)行常規(guī)模式的科學(xué)探測。

月球上的環(huán)境可算極端，晝夜溫差，著陸之后還很可能揚(yáng)起月塵，這些都會(huì)影響儀器正常工作。因此，探測器著陸后一天左右，要等到所有的月塵都落下來，才會(huì)打開極紫外相機(jī)的外罩和月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的艙蓋。對(duì)著陸器和月球車來說，怎么防月塵是設(shè)計(jì)和研制過程中遇到的最大困難之一。比如，極紫外相機(jī)安裝在著陸器頂部，因此設(shè)計(jì)有一個(gè)外罩，一方面為了防月塵，另外，這個(gè)蓋子本身帶一個(gè)熱源，可以在過月夜的時(shí)候蓋上，保證內(nèi)部的適當(dāng)溫度。