裴照宇，王瓊，田耀四

(探月與航天工程中心，北京 100037)

嫦娥工程技術(shù)發(fā)展路線

裴照宇，王瓊，田耀四

(探月與航天工程中心，北京 100037)

月球是距離地球最近的天體，以其獨(dú)特的空間位置、廣闊的科學(xué)探索前景，成為人類地外天體探測和資源利用的首選目標(biāo)和持續(xù)選擇。簡要總結(jié)世界各主要航天大國的探月發(fā)展歷程和后續(xù)計(jì)劃，詳細(xì)介紹了我國探月工程(嫦娥工程)“繞”“落”“回”三步走的發(fā)展思路和技術(shù)路線，分析了后續(xù)的發(fā)展方向，提出了2030年前月球機(jī)器人科研站任務(wù)設(shè)想。

月球探測；技術(shù)發(fā)展路線；嫦娥工程；機(jī)器人；月球科研站

0 引 言

月球是距離地球最近的天體，以其獨(dú)特的空間位置、廣闊的科學(xué)探索前景，成為人類地外天體探測和資源利用的首選目標(biāo)和持續(xù)選擇。

20世紀(jì)，以美國和蘇聯(lián)為首的世界航天大國開展了大量月球探測活動(dòng)，取得了一系列成果，帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域科技與應(yīng)用的快速發(fā)展。

美國發(fā)射了“先鋒”“艾布爾”“徘徊者”“勘測者”“月球軌道器”“探險(xiǎn)者”“阿波羅”7個(gè)系列以及“克萊門汀”“月球勘探者”共56個(gè)月球探測器，遵循從飛越、環(huán)繞、硬著陸、軟著陸到最終實(shí)現(xiàn)載人登月的技術(shù)路線，成功率達(dá)到66%。蘇聯(lián)發(fā)射了“月球號(hào)”“探測器號(hào)”“宇宙號(hào)”“聯(lián)盟號(hào)”等系列64個(gè)月球探測器，遵循從硬著陸、飛越、軟著陸、環(huán)繞、采樣返回、巡視的技術(shù)路線，成功率僅有32.8%。

進(jìn)入21世紀(jì)后，美國、俄羅斯、歐空局、日本、印度等國家或機(jī)構(gòu)規(guī)劃實(shí)施了多項(xiàng)月球探測活動(dòng)，月球再次成為國際深空探測的熱點(diǎn)。

美國不間斷地實(shí)施了“月球勘測軌道器(LRO)/月球環(huán)形山觀測與感知衛(wèi)星(LCROSS)”“重力回溯及內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(GRAIL)”“月球大氣與塵埃環(huán)境探測器(LADEE)”等多次任務(wù)，規(guī)劃了“資源勘探者(RESOLVE)”任務(wù)，還開展了“機(jī)器人月球著陸器(RLL)”、可載人的“空間探索車輛(SEV)”等多項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)。此外，還曾經(jīng)實(shí)施過宇航員重返月球的“星座”計(jì)劃，后來該計(jì)劃被奧巴馬政府取消，并調(diào)整為更具挑戰(zhàn)性的載人火星探測，但“星座”計(jì)劃中的重型火箭、月球登陸器、載人飛船都被保留下來。俄羅斯規(guī)劃了“月球-全球”“月球-資源”兩次著陸任務(wù)和“月球-土壤”采樣返回任務(wù)，提出了月球基地、月球軌道站等概念性計(jì)劃。歐空局實(shí)施了“智慧1號(hào)(SMART-1)”任務(wù)，并規(guī)劃了包括月球極區(qū)著陸器、月球車乃至載人登月、建立月球前哨設(shè)施等任務(wù)在內(nèi)的“曙光”深空探索專項(xiàng)計(jì)劃，以及與俄羅斯合作的“月球極區(qū)樣本返回”任務(wù)。日本實(shí)施了“月亮女神”環(huán)繞任務(wù)，正在研發(fā)“月亮女神-2”著陸器和巡視器，規(guī)劃了可驗(yàn)證載人技術(shù)的“月亮女神-X” 極區(qū)采樣返回任務(wù)，提出了機(jī)器人月球基地、通過國際合作實(shí)現(xiàn)載人登月等概念性計(jì)劃。印度實(shí)施了“月船1號(hào)”環(huán)繞任務(wù)，正在開展“月船2號(hào)”軟著陸和巡視任務(wù)。

縱觀人類探月活動(dòng)與未來發(fā)展，各國都離不開3個(gè)階段：“探”“登”“駐(住)”[1]。其中“探”是指無人探月階段，是人類派出無人月球探測器訪問月球、認(rèn)識(shí)月球；“登”是指登月階段，是航天員登上月球，完成探測后很快返回地球；“駐(住)”也稱駐(住)月階段，包括兩層含義：第一層的“駐”是指航天員帶著設(shè)備降落到月球上，短期停留并把設(shè)備安置好，然后返回地球，而將科學(xué)設(shè)備“駐”留在月球上，以開展長期探測和研究；第二層的“住”是指在月球上建設(shè)短期有人照料的月球前哨站或永久性的月球基地。

空間探索任務(wù)大多屬于重大工程，研制周期長、需要資源多，其發(fā)展技術(shù)路線的選擇十分重要。正確的技術(shù)路線會(huì)帶來工程實(shí)施順利、資源節(jié)約等事半功倍的效果，反之則會(huì)導(dǎo)致走彎路、浪費(fèi)資源、周期一推再推的情況。這對(duì)于我國這樣一個(gè)發(fā)展中國家尤為重要。本文嘗試對(duì)空間探索任務(wù)的技術(shù)路線選擇問題進(jìn)行探討。首先介紹了我國探月工程(嫦娥工程)的總體發(fā)展思路，接下來闡述了“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”“嫦娥3號(hào)”任務(wù)和三期工程的具體技術(shù)路線，最后分析了我國月球探測的未來發(fā)展方向，并提出了2030年前具體任務(wù)設(shè)想。

1 嫦娥工程的總體思路

嫦娥工程是一項(xiàng)復(fù)雜的多學(xué)科、高技術(shù)集成的系統(tǒng)工程，極具創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性和風(fēng)險(xiǎn)性。如何在當(dāng)前的技術(shù)水平和有限的經(jīng)費(fèi)條件下，選擇正確的技術(shù)路線，使科學(xué)目標(biāo)通過工程的實(shí)施變成現(xiàn)實(shí)，是首先要回答的問題。要想取得工程的成功，必須要對(duì)諸多因素進(jìn)行反復(fù)衡量、比較、統(tǒng)籌，找到一個(gè)平衡點(diǎn)，求出系統(tǒng)的最佳(和諧)配置，找到最佳的性本比，實(shí)現(xiàn)整體大于部分之和，達(dá)到整體的最優(yōu)水平[2]。

2003年前后，國防科工委組織開展月球探測工程的論證和準(zhǔn)備。結(jié)合我國當(dāng)時(shí)科技、經(jīng)濟(jì)條件，本著實(shí)事求是、有所為有所不為的原則，確定以探為主攻方向，分“繞”“落”“回”三步實(shí)施，逐步積累知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，循序漸進(jìn)，不斷跨越。步與步之間有機(jī)銜接，前一步是后一步的基礎(chǔ)，后一步是前一步的跨越；任務(wù)與任務(wù)承前啟后，盡可能利用前一次的成果，為后一次任務(wù)多做驗(yàn)證。嫦娥工程總體規(guī)劃路線如圖1所示。具體計(jì)劃如下：

一期工程——“繞”，2004—2008年，實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的全球性、整體性和綜合性環(huán)繞探測；

二期工程——“落”，2008—2014年，實(shí)現(xiàn)月球軟著陸，對(duì)月面進(jìn)行就位探測和巡視勘察；

三期工程——“回”，2011—2020年，實(shí)現(xiàn)月球樣品自動(dòng)取樣并安全返回地球。

圖1 嫦娥工程總體規(guī)劃路線圖Fig.1 Roadmap of the Chang’E Program

2 嫦娥工程的實(shí)施

2.1 一期工程(“嫦娥1號(hào)”)

總的指導(dǎo)思想為快速、可靠、經(jīng)濟(jì)地完成“繞”的任務(wù)，確定一期工程的技術(shù)路線是：充分利用成熟技術(shù)、現(xiàn)有條件和裝備，經(jīng)過適應(yīng)性改進(jìn)，在有限的資金支持下、在確定的周期內(nèi)，有把握地完成工程任務(wù)。簡單地說，就是采用最成熟的技術(shù)、最可靠的性能和最低的成本，實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，確保完成中國首次月球探測任務(wù)[3]。

1)任務(wù)目標(biāo)選取

在工程目標(biāo)的選取上，考慮到這是我國首次開展月球探測，應(yīng)以穩(wěn)妥可靠為首要原則，重點(diǎn)關(guān)注基本技術(shù)的突破和初步系統(tǒng)的構(gòu)建，確定了以下5項(xiàng)工程目標(biāo)[4]：

①研制和發(fā)射我國第一個(gè)月球探測衛(wèi)星；

②初步掌握繞月探測基本技術(shù)；

③首次開展月球科學(xué)探測；

④初步構(gòu)建月球探測航天工程系統(tǒng)；

⑤為月球探測后續(xù)工程積累經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于科學(xué)目標(biāo)的選取，工程總體堅(jiān)持科學(xué)創(chuàng)新，根據(jù)“有限目標(biāo)、有所創(chuàng)新、以圖為主、兼顧其他”的方針，確定了以下4項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)[4]：

①獲取月球表面三維影像；

②分析月球表面元素含量和物質(zhì)類型分布；

③探測地月空間環(huán)境；

④探測月壤特性。

圍繞這四項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)，選用CCD立體相機(jī)、干涉成像光譜儀、微波探測儀、激光高度計(jì)、γ/X射線譜儀、高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器7個(gè)載荷，實(shí)現(xiàn)多手段探測。

2)任務(wù)設(shè)計(jì)

飛行任務(wù)過程規(guī)劃為發(fā)射、調(diào)相軌道運(yùn)行、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月運(yùn)行5個(gè)階段。

采用軌道拼接、自后往前的方法進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)。根據(jù)科學(xué)探測需求和軌道自維持能力，設(shè)計(jì)首次月球探測的使命軌道為高度200 km的極月圓軌道；出于穩(wěn)妥和減小重力損耗的考慮，設(shè)計(jì)3次近月點(diǎn)減速機(jī)動(dòng)，分別將軌道調(diào)整為周期12 h的大橢圓軌道、周期3.5 h的橢圓軌道和周期127 min的圓軌道；根據(jù)發(fā)射方案、火箭能力和軌道光照條件，選擇確定傾角31°、飛行時(shí)間114 h的地月轉(zhuǎn)移軌道(LTO)；出于穩(wěn)妥、減小重力損耗、延續(xù)發(fā)射天數(shù)、有利于飛控等考慮，設(shè)計(jì)一次遠(yuǎn)地點(diǎn)加速和3次近地點(diǎn)加速機(jī)動(dòng)，分別將軌道調(diào)整為周期16 h、24 h、48 h的橢圓軌道和LTO。

發(fā)射窗口包括發(fā)射機(jī)會(huì)及每次發(fā)射機(jī)會(huì)可延續(xù)的時(shí)間間隔兩部分[5]。根據(jù)火箭能力和衛(wèi)星光照要求，每月可保證一次發(fā)射機(jī)會(huì)?？紤]到運(yùn)載火箭系統(tǒng)和發(fā)射場系統(tǒng)組織發(fā)射的要求，將每次發(fā)射機(jī)會(huì)的可連續(xù)發(fā)射天數(shù)延長至3天，且每天的發(fā)射窗口寬度設(shè)為35 min。

“嫦娥1號(hào)”任務(wù)軌道如圖2所示[5]。通過“嫦娥1號(hào)”，基本掌握了到達(dá)月球的軌道設(shè)計(jì)能力。

圖2 “嫦娥1號(hào)”任務(wù)軌道Fig.2 Trajectories of Chang’E-1 mission

3)系統(tǒng)構(gòu)建

“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星的平臺(tái)選擇了我國“東方紅3號(hào)”衛(wèi)星的公用平臺(tái)，當(dāng)時(shí)該平臺(tái)已成功地用于7顆通信衛(wèi)星，是一個(gè)成熟可靠的平臺(tái)。在該平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合其他衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿足探月任務(wù)的特殊要求。

運(yùn)載火箭選用“長征3號(hào)甲”火箭。到工程立項(xiàng)之時(shí)，該火箭已成功完成了8顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，成功率100%，且其中7顆是使用“東方紅3號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)的衛(wèi)星，星箭接口協(xié)調(diào)一致。對(duì)“長征3號(hào)甲”火箭進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)和改進(jìn)后，其運(yùn)載能力、入軌精度等技術(shù)性能完全可以滿足任務(wù)需求。

發(fā)射場選用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。該中心緯度低，適用于我國地球同步軌道(GTO)衛(wèi)星等高軌衛(wèi)星的發(fā)射。截至工程立項(xiàng)，該發(fā)射中心已成功完成了35次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，是技術(shù)、設(shè)施、經(jīng)驗(yàn)都十分成熟的發(fā)射場。對(duì)該發(fā)射中心的相關(guān)設(shè)施進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)后，完全可以滿足超GTO軌道發(fā)射的工程要求。

測控系統(tǒng)由我國當(dāng)時(shí)已有的統(tǒng)一S頻段航天測控網(wǎng)(USB)，輔以甚長基線干涉天文測量系統(tǒng)(VLBI)組成。S頻段航天測控網(wǎng)先后圓滿地完成了我國歷次火箭和衛(wèi)星的測控通信任務(wù)，是比較完善的衛(wèi)星測控通信網(wǎng)。VLBI測軌分系統(tǒng)具有很高的測角精度。這兩者配合，可以滿足“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星遠(yuǎn)距離、高精度的測控要求。此外還通過開展國際協(xié)作，增加測控覆蓋率。研制中期，又新建了喀什和青島兩座18 m接收天線，提高星地測控鏈路電平余量。

地面應(yīng)用系統(tǒng)是個(gè)全新的系統(tǒng)，通過新建密云50 m和昆明40 m兩座數(shù)據(jù)接收天線和總部相關(guān)設(shè)施設(shè)備，具備了科學(xué)數(shù)據(jù)接收、處理和解譯的能力。

4)實(shí)施效果

“嫦娥1號(hào)”于2007年10月24日成功發(fā)射，至2009年3月1日受控撞月，共在軌運(yùn)行494天，圓滿完成了既定使命，實(shí)現(xiàn)中華民族千年奔月夢想，樹立我國航天史上的第三個(gè)里程碑?！版隙?號(hào)”在1年設(shè)計(jì)壽命期滿后，又開展了多項(xiàng)拓展任務(wù)，獲取了大量的科學(xué)探測數(shù)據(jù)，大大豐富了對(duì)月球的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，通過一期工程的實(shí)施，在以下9個(gè)方面取得了技術(shù)創(chuàng)新，為后續(xù)任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[5]：

①總體集成技術(shù)；

②軌道設(shè)計(jì)技術(shù)；

③環(huán)境適應(yīng)和能源技術(shù)；

④飛行控制技術(shù)；

⑤遠(yuǎn)距離測控通信技術(shù)；

⑥高精度測定軌技術(shù)；

⑦火箭可靠性增長技術(shù)；

⑧月球科學(xué)探測、數(shù)據(jù)接收與研究技術(shù)。

總的來說，為了確保我國首次月球探測這個(gè)創(chuàng)新性任務(wù)的首發(fā)成功，這條技術(shù)路線利用成熟技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，以掌握能力為主，在技術(shù)上有所求穩(wěn)。實(shí)踐證明，這條技術(shù)路線充分體現(xiàn)了確有把握、確有創(chuàng)新、確有帶動(dòng)的3條原則，全面實(shí)現(xiàn)了工程系統(tǒng)的全局優(yōu)化和系統(tǒng)工程的全局統(tǒng)籌，用比較少的投資和較短的時(shí)間，又好又快地完成繞月探測的任務(wù)。

2.2 二期工程2.2.1 “嫦娥2號(hào)”(二期工程先導(dǎo)任務(wù))

在“嫦娥1號(hào)”任務(wù)圓滿成功之后，嫦娥工程二期立項(xiàng)，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月面軟著陸和巡視勘察?？紤]到其關(guān)鍵技術(shù)多、技術(shù)跨度大、實(shí)施難度高，為降低月面軟著陸技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、積累工程經(jīng)驗(yàn)，決定利用“嫦娥1號(hào)”備份星，進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，作為二期工程先導(dǎo)星，先期驗(yàn)證落月的部分關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像。

“嫦娥2號(hào)”的技術(shù)路線是：創(chuàng)新設(shè)計(jì)多目標(biāo)頂層任務(wù)，充分繼承成熟技術(shù)和產(chǎn)品并進(jìn)行性能和功能升級(jí)，突破相關(guān)新技術(shù)，提升系統(tǒng)整體能力，形成并驗(yàn)證適用的行星際探測新平臺(tái)。簡單地說，就是通過綜合集成創(chuàng)新牽引成熟技術(shù)升級(jí)和新技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，確保完成行星際多目標(biāo)探測任務(wù)[6]。

1)任務(wù)目標(biāo)選取

“嫦娥2號(hào)”兼顧了技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)探測。圍繞技術(shù)驗(yàn)證的任務(wù)需求，確定多個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證和深空探測新技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目。其工程目標(biāo)為[7]：

①突破運(yùn)載火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至LTO的發(fā)射技術(shù)；

②驗(yàn)證100 km月球軌道捕獲技術(shù)；

③驗(yàn)證100 km×15 km軌道機(jī)動(dòng)與快速測定軌技術(shù)；

④對(duì)“嫦娥3號(hào)”任務(wù)預(yù)選著陸區(qū)——虹灣地區(qū)進(jìn)行高分辨率成像試驗(yàn)；

⑤試驗(yàn)X頻段深空測控技術(shù)，驗(yàn)證深空測控體制；

⑥試驗(yàn)12 Mbps高速數(shù)據(jù)傳輸和低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)遙測信道編碼、輕小型 CMOS 監(jiān)視和降落相機(jī)等高新技術(shù)。

科學(xué)探測方面基本與“嫦娥1號(hào)”相同，以獲取高分辨率全月圖為側(cè)重，確定以下4項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)[7]：

①獲取月球表面三維影像，分辨率優(yōu)于10 m；

②探測月球物質(zhì)成分；

③探測月壤特性；

④探測地月與近月空間環(huán)境。

“嫦娥2號(hào)”配置了7臺(tái)有效載荷設(shè)備，與“嫦娥1號(hào)”基本相同，但去掉了干涉成像光譜儀。重新研制了更高分辨率的TDI-CCD立體相機(jī)和更高重復(fù)頻率的激光高度計(jì)；對(duì)X射線譜儀和γ射線譜儀進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)，提升了探測能力；微波探測儀、太陽高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器基本保持不變。

進(jìn)入拓展任務(wù)階段后，基于“加速提升能力、推進(jìn)技術(shù)發(fā)展”的思路，以驗(yàn)證距地更遠(yuǎn)的行星際探測技術(shù)、積累深空探測工程經(jīng)驗(yàn)為目標(biāo)，深化論證了擴(kuò)展任務(wù)階段的試驗(yàn)項(xiàng)目。按有序銜接、分步實(shí)施的原則， 最大限度地發(fā)揮衛(wèi)星潛能， 以跨越行星際、突破新距離為基本目的，設(shè)計(jì)了月球軌道深化探測、日-地拉格朗日L2點(diǎn)環(huán)繞探測、4179小行星飛越探測等3階段、多目標(biāo)探測任務(wù)。

2)任務(wù)設(shè)計(jì)

飛行任務(wù)過程規(guī)劃為發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月運(yùn)行4個(gè)階段。

“嫦娥1號(hào)”是首發(fā)任務(wù)，其調(diào)相軌道設(shè)計(jì)比較穩(wěn)妥可靠，但飛行時(shí)間較長。而作為技術(shù)驗(yàn)證性任務(wù)的“嫦娥2號(hào)”則采用了更加高效的直接LTO發(fā)射。運(yùn)載火箭將衛(wèi)星直接送入近地點(diǎn)高200 km、傾角28.5°、飛行時(shí)間112 h的LTO；衛(wèi)星到達(dá)100 km高的近月點(diǎn)后，分3次實(shí)施近月制動(dòng)，分別將軌道調(diào)整成周期12 h、3.5 h的橢圓軌道和高度100 km的極月圓軌道。在100 km的環(huán)月軌道上運(yùn)行時(shí)，擇機(jī)在月球背面制動(dòng)將近月點(diǎn)降到15 km，對(duì)虹灣進(jìn)行高分辨率成像。

與“嫦娥1號(hào)”類似，“嫦娥2號(hào)”在每月有一次連續(xù)3～4天的發(fā)射機(jī)會(huì)，每次發(fā)射機(jī)會(huì)中每天只有一個(gè)寬度為35 min的發(fā)射窗口。

“嫦娥2號(hào)”任務(wù)軌道如圖3所示[8]。通過“嫦娥2號(hào)”，驗(yàn)證了“嫦娥3號(hào)”任務(wù)直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射的技術(shù)。

3)系統(tǒng)構(gòu)建

衛(wèi)星平臺(tái)沿用“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星大部分設(shè)備產(chǎn)品，并進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，提升了推進(jìn)能力、測控通信和數(shù)傳能力、機(jī)動(dòng)飛行能力、熱控適應(yīng)能力、科學(xué)探測能力；新增技術(shù)試驗(yàn)分系統(tǒng)包含了所有新技術(shù)驗(yàn)證設(shè)備；為深化科學(xué)探測， 有效載荷設(shè)備或新研或大改。

運(yùn)載火箭選用能力更強(qiáng)的“長征3號(hào)丙”運(yùn)載火箭，對(duì)火箭進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)以提高入軌精度，滿足直接LTO發(fā)射的任務(wù)需求。

發(fā)射場仍采用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。

測控通信系統(tǒng)沿用經(jīng)過“嫦娥1號(hào)”任務(wù)檢驗(yàn)的測控體制和設(shè)施設(shè)備，對(duì)兩座18 m天線進(jìn)行改造升級(jí)，并開展深空測控新技術(shù)試驗(yàn)。在任務(wù)后期，利用二期工程新建成的喀什35 m、佳木斯66 m大型深空站和上海65 m VLBI站開展了空間測試和標(biāo)校試驗(yàn)，驗(yàn)證新研設(shè)備的正確性和協(xié)調(diào)性。

地面應(yīng)用系統(tǒng)基本與“嫦娥1號(hào)”任務(wù)相同，做了一些適應(yīng)性改進(jìn)。

4)實(shí)施效果

“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星于2010年10月1日發(fā)射，至2011年4月1日半年設(shè)計(jì)壽命期滿，全面實(shí)現(xiàn)既定的六大工程目標(biāo)和四大科學(xué)探測任務(wù)。隨即于2011年4月下旬至5月底，開展了補(bǔ)拍月球南北兩極漏拍點(diǎn)和再次對(duì)“嫦娥3號(hào)”預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高清晰成像拓展試驗(yàn)。2011年8月25日起，“嫦娥2號(hào)”環(huán)繞日地L2點(diǎn)進(jìn)行了為期10個(gè)月的科學(xué)探測，獲得了地球遠(yuǎn)磁尾離子能譜、太陽耀斑爆發(fā)和宇宙伽馬爆的科學(xué)數(shù)據(jù)。2012 年 12 月 13 日近距離飛越探測4179圖塔蒂斯(Toutatis)小行星，并對(duì)其進(jìn)行光學(xué)成像。此后“嫦娥2號(hào)”一直朝向更遠(yuǎn)的深空飛行。

“嫦娥2號(hào)”任務(wù)取得了以下8個(gè)方面技術(shù)創(chuàng)新[9]：

①國際上首次獲得7 m分辨率全月圖，優(yōu)于1.5 m局部影像圖；

②國際上首次實(shí)現(xiàn)從月球軌道飛向日地拉格朗日L2點(diǎn)，開展科學(xué)探測；

③首次實(shí)現(xiàn)4179小行星探測；

④獲取了一批重要科學(xué)探測數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)月表鉻元素、微磁層、太陽風(fēng)加減速；

⑤突破直接LTO發(fā)射和飛行技術(shù)；

⑥突破近月點(diǎn)15 km軌道短弧段、快速測定軌技術(shù)，建立了我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的月球重力場模型；

⑦首次成功實(shí)現(xiàn)100 km×100 km和100 km×15 km環(huán)月探測；

⑧首次驗(yàn)證X頻段深空測控、LDPC遙測信道編譯碼等技術(shù)。

實(shí)踐證明，這條以頂層任務(wù)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新帶動(dòng)成熟技術(shù)升級(jí)和新技術(shù)突破的技術(shù)路線，用很少的投資和較短的時(shí)間，又好又快地實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)多任務(wù)探測的任務(wù)級(jí)成果，奠定了行星際及小行星探測器平臺(tái)及相關(guān)核心技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)造了“低成本、高質(zhì)量、高回報(bào)”深空探測任務(wù)的典范。

2.2.2 “嫦娥3號(hào)”(二期工程主任務(wù))

作為二期工程主任務(wù)，“嫦娥3號(hào)”要實(shí)現(xiàn)月球表面的軟著陸和巡視勘察。相比“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”的繞月飛行，“嫦娥3號(hào)”任務(wù)的技術(shù)跨度極大，著陸、巡視這兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)的相關(guān)技術(shù)都沒有成熟技術(shù)可以繼承，需要攻關(guān)突破，而且整器大部分產(chǎn)品需要新研。但另一方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和“嫦娥1號(hào)”任務(wù)的實(shí)施，中國航天已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)實(shí)力。在這種情況下，確定其技術(shù)路線為：瞄準(zhǔn)當(dāng)今世界發(fā)展水平，高起點(diǎn)地確定功能與性能指標(biāo)；以航天幾十年來積累的技術(shù)能力為基礎(chǔ)，針對(duì)新領(lǐng)域中所遇到的新問題，完全自主地進(jìn)行技術(shù)上的原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，通過大量的設(shè)計(jì)分析、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和地面驗(yàn)證試驗(yàn)，以正面攻堅(jiān)的方式全面突破月球軟著陸和月面巡視的核心關(guān)鍵技術(shù)[10]。

1)任務(wù)目標(biāo)選取

圍繞二期工程的核心任務(wù)，確定“嫦娥3號(hào)”的工程目標(biāo)為[11]：

①突破月球軟著陸、自動(dòng)巡視勘察、深空測控通信、月夜生存等關(guān)鍵技術(shù)，提升航天技術(shù)水平；

②研制月球軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站，獲得包括運(yùn)載火箭、探測器、深空站等在內(nèi)的功能模塊，具備月球軟著陸探測的基本能力；

③建立月球探測航天工程基本體系，形成重大項(xiàng)目實(shí)施的科學(xué)有效的工程管理方法以及人才隊(duì)伍，推動(dòng)我國深空探測活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展。

科學(xué)目標(biāo)為[11]：

①月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查；

②月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查；

③日地月空間環(huán)境探測和月基光學(xué)天文觀測。

圍繞上述科學(xué)目標(biāo)，采用多個(gè)譜段和多種探測手段，確定在著陸器配置地形地貌相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)、降落相機(jī)4種有效載荷，在巡視器配置全景相機(jī)、測月雷達(dá)、紅外成像光譜儀、粒子激發(fā)X射線譜儀4種有效載荷。各有效載荷既相互協(xié)同工作， 共同完成科學(xué)探測任務(wù)， 又各有側(cè)重點(diǎn)；既包括標(biāo)準(zhǔn)配置儀器，如光學(xué)相機(jī)，又包含具有獨(dú)創(chuàng)性的儀器，如極紫外相機(jī)、測月雷達(dá)等。

2)任務(wù)設(shè)計(jì)

飛行任務(wù)過程規(guī)劃為發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月、動(dòng)力下降、月面工作5個(gè)階段。

“嫦娥3號(hào)”著陸區(qū)的選擇遵循工程技術(shù)上可行、科學(xué)上有特色的原則，確定著陸區(qū)為42.6°～45.6°N、18.2°～34.6°W。

與前兩次探月任務(wù)類似，“嫦娥3號(hào)”軌道也采用自后向前的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：首先對(duì)著陸區(qū)的光照和測控條件進(jìn)行分析，確定滿足著陸條件的時(shí)機(jī)，然后確定著陸前的環(huán)月軌道參數(shù)和運(yùn)動(dòng)特性，再依據(jù)地月轉(zhuǎn)移軌道的特性分析，共同確定地月轉(zhuǎn)移軌道的范圍，最后依據(jù)運(yùn)載火箭和地面測控的能力約束，共同確定滿足大系統(tǒng)約束的發(fā)射窗口。

在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，采用“長征3號(hào)乙”運(yùn)載火箭，將探測器送入近地點(diǎn)高200 km、傾角28.5°、飛行時(shí)間112 h的大橢圓LTO。探測器與火箭分離后，經(jīng)中途修正，在近月點(diǎn)實(shí)施一次制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)月球捕獲，進(jìn)入100 km高的極月圓軌道。在環(huán)月圓軌道運(yùn)行期間，探測器擇機(jī)實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)， 進(jìn)入100 km×15 km的橢圓軌道。在橢圓軌道運(yùn)行期間，探測器擇機(jī)從15 km近月點(diǎn)實(shí)施軟著陸制動(dòng)，先后完成主減速、快速調(diào)整、接近、懸停、避障、緩速下降等動(dòng)力下降過程，實(shí)現(xiàn)月面軟著陸。著陸后，巡視器和著陸器分離，兩器各自開展科學(xué)探測。

“嫦娥3號(hào)”不再采用“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”的35 min寬發(fā)射窗口，而改為每天兩個(gè)相隔40 min以上的發(fā)射窗口，第一窗口寬度4 min，第二窗口寬度1 min。這樣一來，通過提升發(fā)射場和運(yùn)載火箭系統(tǒng)組織發(fā)射的能力，既能大幅減少探測器用于修正發(fā)射時(shí)間偏差的推進(jìn)劑攜帶量，又能保證發(fā)射窗口切換時(shí)間的需求。

“嫦娥3號(hào)”任務(wù)軌道如圖4所示[11]。通過“嫦娥3號(hào)”，驗(yàn)證了三期工程探測器的前半段飛行軌道——即從發(fā)射到月球著陸的飛行軌道。

圖4 “嫦娥3號(hào)”任務(wù)軌道Fig.4 Trajectories of Chang’E-3 mission

3)系統(tǒng)構(gòu)建

“嫦娥3號(hào)”探測器是一個(gè)全新的航天器，新技術(shù)和新產(chǎn)品的比例高達(dá)80%。通過自力更生、集智攻關(guān)，突破著陸器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、推進(jìn)、著陸緩沖、熱控制和巡視器移動(dòng)、自主導(dǎo)航與遙操作控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)，新研月球著陸器和巡視器；新建特種試驗(yàn)設(shè)施，突破地面試驗(yàn)，滿足仿真與地面試驗(yàn)驗(yàn)證的需求。

運(yùn)載火箭選用我國當(dāng)時(shí)能力最強(qiáng)的“長征3號(hào)乙”火箭，采取多種改進(jìn)措施來提高運(yùn)載能力、入軌精度、可靠性及關(guān)鍵動(dòng)作監(jiān)視能力，滿足多窗口多彈道發(fā)射的任務(wù)需求。

發(fā)射場仍采用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，進(jìn)行同位素源存儲(chǔ)廠房、RF轉(zhuǎn)發(fā)等適應(yīng)性改進(jìn)，滿足“長征3號(hào)乙”運(yùn)載火箭和“嫦娥3號(hào)”探測器的測試、發(fā)射需求。

測控通信系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的USB測控網(wǎng)加VLBI測軌分系統(tǒng)外，新建喀什35 m、佳木斯66 m大型深空站組成深空測控網(wǎng)，新建上海65 m VLBI站提高了VLBI觀測精度，并采用同波束干涉、相對(duì)差分單向測距等技術(shù)，進(jìn)一步提升測定軌精度和測控距離，以滿足任務(wù)需求。

地面應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)原有設(shè)施設(shè)備進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，并新建遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步提升科學(xué)載荷任務(wù)規(guī)劃和科學(xué)數(shù)據(jù)處理、解譯能力。

4)實(shí)施效果

2013年12月2日，“長征3號(hào)乙”運(yùn)載火箭成功發(fā)射，并以極高的精度將“嫦娥3號(hào)”探測器送入地月轉(zhuǎn)移軌道。12月14日，“嫦娥3號(hào)”成功著陸在月球北緯44.12°、西經(jīng)19.51°的預(yù)選虹灣著陸區(qū)，著陸精度優(yōu)于1 km；12月15日，巡視器與著陸器成功分離，駛抵月面，并與著陸器實(shí)現(xiàn)兩器互拍，標(biāo)志著任務(wù)圓滿成功；隨后，兩器各自獨(dú)立開展了相應(yīng)的多種科學(xué)探測任務(wù)，獲取了大量探測數(shù)據(jù)。目前，著陸器已經(jīng)度過了一年壽命期，仍在開展探測；巡視器在行駛了114 m后，遭遇了移動(dòng)系統(tǒng)控制故障，無法繼續(xù)前進(jìn)。

“嫦娥3號(hào)”的圓滿成功，為我國航天事業(yè)發(fā)展樹立了新的里程碑。通過“嫦娥3號(hào)”的實(shí)施，在以下7個(gè)方面取得了技術(shù)創(chuàng)新[12]：

①國際首次實(shí)現(xiàn)基于全自主避障的月球軟著陸，使我國成為國際上第三個(gè)完成月球軟著陸的國家；

②首次實(shí)現(xiàn)我國航天器在地外天體巡視；

③國際首次采用低重力輔助兩相流體回路和光照喚醒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了探測器在極低溫度環(huán)境下的月夜生存和自主喚醒；

④首次突破我國LTO高精度入軌和低溫火箭多窗口、窄寬度發(fā)射技術(shù)；

⑤首次研制我國大型深空站，初步建成覆蓋行星際的深空測控通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了我國深空測控的重大跨越；

⑥首次研制建設(shè)了一系列高水平特種試驗(yàn)設(shè)施，創(chuàng)新形成了一系列先進(jìn)試驗(yàn)方法、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；

⑦我國首次開展月面就位和巡視探測，獲得國際多項(xiàng)首創(chuàng)科學(xué)成果。

實(shí)踐證明，這條以正面攻堅(jiān)方式實(shí)現(xiàn)新技術(shù)突破的技術(shù)路線，穩(wěn)打穩(wěn)扎，步步為營，基本按照預(yù)定計(jì)劃，全面攻克了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，較好地完成了月球軟著陸任務(wù)和巡視探測任務(wù)，大大夯實(shí)和提升了我國航天技術(shù)水平。

2.3 三期工程

2.3.1 再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)(三期工程試驗(yàn)任務(wù))

三期工程的任務(wù)是發(fā)射“嫦娥5號(hào)”*由于有“嫦娥3號(hào)”的備份星待發(fā)射，故將第三期主體任務(wù)載體編號(hào)為“嫦娥5號(hào)”?！幷咦?shí)現(xiàn)月面采樣返回，需要突破月面采樣、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、高速再入返回等4項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，其中最為艱巨的尤數(shù)高速再入返回技術(shù)?？紤]到對(duì)地球大氣特性認(rèn)識(shí)尚不充分、模型不完備，返回器高速再入條件下的氣動(dòng)、熱防護(hù)與再入環(huán)境模型掌握不全面，地面試驗(yàn)驗(yàn)證條件欠缺，為降低工程風(fēng)險(xiǎn)，決定在三期工程中安排一次再入返回飛行試驗(yàn)。其技術(shù)路線為：緊緊圍繞技術(shù)驗(yàn)證的核心目標(biāo)，充分利用最成熟的技術(shù)、產(chǎn)品和手段來驗(yàn)證新技術(shù)，盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)、提高工程實(shí)施可靠性。

1)任務(wù)目標(biāo)選取

圍繞再入返回飛行試驗(yàn)的核心任務(wù)，確定任務(wù)目標(biāo)為：獲取高速半彈道跳躍式再入返回過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；驗(yàn)證和完善再入返回的設(shè)計(jì)模型；突破再入返回的氣動(dòng)力、熱防護(hù)、GNC等關(guān)鍵技術(shù)。驗(yàn)證高速半彈道跳躍式再入的測控與回收能力。驗(yàn)證月地轉(zhuǎn)移軌道飛行和測控能力。

進(jìn)入拓展階段后，以最大限度地發(fā)揮服務(wù)艙潛能，驗(yàn)證后續(xù)任務(wù)相關(guān)技術(shù)、積累深空探測工程經(jīng)驗(yàn)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了地-月拉格朗日L2點(diǎn)環(huán)繞飛行、月球軌道交會(huì)試驗(yàn)、“嫦娥5號(hào)”預(yù)設(shè)采樣區(qū)成像等多階段、多目標(biāo)拓展任務(wù)。

2)任務(wù)設(shè)計(jì)

飛行任務(wù)過程包括發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、月球近旁轉(zhuǎn)向、月地轉(zhuǎn)移、返回再入和回收著陸6個(gè)階段。

出于簡化設(shè)計(jì)、降低風(fēng)險(xiǎn)考慮，采用繞月自由往返軌道作為地月和月地轉(zhuǎn)移軌道，設(shè)計(jì)了借助月球引力改變軌道傾角的月球近旁轉(zhuǎn)向段，完整模擬了嫦娥五號(hào)返回器的再入返回過程。綜合考慮“嫦娥5號(hào)”任務(wù)再入航程的需求和其他因素的影響，確定繞月自由往返軌道的飛行時(shí)間約為8天。每個(gè)月的發(fā)射機(jī)會(huì)主要由“嫦娥5號(hào)”任務(wù)再入航程需求范圍要求決定，發(fā)射機(jī)會(huì)確定為每月航程需求最短的連續(xù)3天。

運(yùn)載火箭將飛行器發(fā)射進(jìn)入近地點(diǎn)200 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)約41萬km、傾角28.5°的地月轉(zhuǎn)移軌道，飛行器經(jīng)過月球近旁轉(zhuǎn)向后，進(jìn)入傾角45°的月地轉(zhuǎn)移軌道。在到達(dá)預(yù)定的約5 000 km高的分離點(diǎn)位置時(shí)，艙器分離，返回器以半彈道跳躍式的方式再入大氣層，完成再入著陸任務(wù)。

再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)軌道如圖5所示[13]。通過再入返回飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了“嫦娥5號(hào)”返回器的再入返回過程。

圖5 再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)軌道Fig.5 Trajectories of the re-entry test mission

3)系統(tǒng)構(gòu)建

飛行器由服務(wù)艙和返回器兩部分組成。返回器與“嫦娥5號(hào)”返回器技術(shù)狀態(tài)基本一致，均繼承了神舟飛船返回艙外型；為返回器提供支撐平臺(tái)的服務(wù)艙則繼承了成熟的“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)，并進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

運(yùn)載火箭選用“長征3號(hào)丙”運(yùn)載火箭，對(duì)火箭進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，滿足繞月自由返回軌道發(fā)射的任務(wù)需求。

發(fā)射場仍采用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。

測控與回收系統(tǒng)沿用經(jīng)過“嫦娥3號(hào)”任務(wù)檢驗(yàn)的測控體制和設(shè)施設(shè)備，并新增了再入測量分系統(tǒng)和搜索回收分系統(tǒng)，在繼承載人航天工程地面設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和新研，滿足運(yùn)載火箭、飛行器測控任務(wù)和返回器搜索回收任務(wù)的需求。

4)實(shí)施效果

2014年10月24日，飛行器由“長征3號(hào)丙”運(yùn)載火箭送入繞月自由往返軌道。11月1日，返回器在內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗預(yù)定區(qū)域成功高精度著陸，標(biāo)志著三期工程取得突破性進(jìn)展，為全面完成嫦娥工程三步走戰(zhàn)略目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

通過月球借力，服務(wù)艙于11月27日進(jìn)入環(huán)繞地月L2點(diǎn)的軌道飛行，為未來在地月L2點(diǎn)部署中繼衛(wèi)星等任務(wù)驗(yàn)證了軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)，積累了飛行經(jīng)驗(yàn)；2015年1月服務(wù)艙重返月球軌道后，開展了調(diào)相控制、遠(yuǎn)程導(dǎo)引飛行等交會(huì)試驗(yàn)，驗(yàn)證了“嫦娥5號(hào)”任務(wù)交會(huì)對(duì)接方案。

再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)取得了以下6方面技術(shù)創(chuàng)新[14]：

①突破了高速再入返回氣動(dòng)設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國在高空高速空氣動(dòng)力學(xué)的跨越；

②突破了以第二宇宙速度、兩次再入大氣層的熱防護(hù)技術(shù)，研制成功了深空半彈道跳躍式再入返回的最輕質(zhì)防熱系統(tǒng)；

③突破了半彈道跳躍式再入返回自主制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了世界上最高精度的深空再入返回；

④突破了大傾角變軌道空間借力飛行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度繞月自由往返軌道飛行；

⑤突破了深空跳躍式高速再入返回跟蹤測量和搜索回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)最大速度、最長航程、最大范圍的測控回收；

⑥突破了雙平臺(tái)飛行器系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)多任務(wù)深空探測。

實(shí)踐證明，這條充分利用成熟技術(shù)來為掌握核心新技術(shù)創(chuàng)造有利條件的技術(shù)路線，用比較少的投資和較短的時(shí)間，突破了深空高速再入返回的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，又好又快地完成了既定任務(wù)。

2.3.2 “嫦娥5號(hào)”(三期工程主任務(wù))

三期工程的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月面采樣返回。相比二期工程，三期工程在技術(shù)上又向前跨進(jìn)了一大步，從月球著陸之后直到地球再入返回的眾多關(guān)鍵環(huán)節(jié)的相關(guān)技術(shù)也都沒有成熟技術(shù)可以繼承，需要攻關(guān)突破。另一方面，經(jīng)過嫦娥工程一期、二期共3次任務(wù)的實(shí)施，我國深空探測技術(shù)實(shí)力取得長足進(jìn)步，具備開展更高難度任務(wù)的能力。針對(duì)這種情況，確定三期工程技術(shù)路線為：瞄準(zhǔn)世界領(lǐng)先水平，集成我國最高水平航天技術(shù)基礎(chǔ)，高起點(diǎn)地確定功能與性能指標(biāo)；繼承二期工程軟著陸平臺(tái)，完全自主地進(jìn)行技術(shù)上的原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，以正面攻堅(jiān)的方式突破月球采樣返回、新型運(yùn)載火箭、新發(fā)射場的核心關(guān)鍵技術(shù)。

1)任務(wù)目標(biāo)選取

圍繞三期工程的核心任務(wù)，確定“嫦娥5號(hào)”的工程目標(biāo)為：

①突破窄窗口多軌道裝訂發(fā)射、月面自動(dòng)采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移、地球大氣高速再入、多目標(biāo)高精度測控、月球樣品儲(chǔ)存等關(guān)鍵技術(shù)，提升我國航天技術(shù)水平；

②實(shí)現(xiàn)首次地外天體自動(dòng)采樣返回，推進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)重大跨越；

③完善探月工程體系，為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

以月球樣品和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的比對(duì)研究為重點(diǎn)，確定科學(xué)目標(biāo)為：

①著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和分析；

②月球樣品的分析與研究。

圍繞上述科學(xué)目標(biāo)，配置降落相機(jī)、全景相機(jī)、月球礦物光譜分析儀、月壤結(jié)構(gòu)探測儀4臺(tái)科學(xué)探測載荷，實(shí)現(xiàn)可見光、紅外、微波等多譜段探測。

2)任務(wù)設(shè)計(jì)

飛行任務(wù)過程規(guī)劃為發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、著陸下降、月面工作、月面起飛上升、交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收共11個(gè)階段。

由于射前操作繁雜，海南發(fā)射場氣象條件復(fù)雜，需要保持一定的發(fā)射窗口寬度來降低工程風(fēng)險(xiǎn)。考慮到三期工程復(fù)雜性和“長征5號(hào)”火箭的技術(shù)特點(diǎn)，確定保留50 min的發(fā)射窗口。運(yùn)載火箭采用5條彈道、每條彈道覆蓋10 min發(fā)射窗口寬度的方法，同時(shí)滿足50 min發(fā)射窗口的要求和探測器系統(tǒng)±5 min發(fā)射軌道修正能力的限制。

受到運(yùn)載火箭發(fā)射質(zhì)量的限制，地月和月地轉(zhuǎn)移軌道均選擇了飛行時(shí)間約5天左右的入射能量最優(yōu)軌道。為了盡可能減小對(duì)再入航程的需求，月地轉(zhuǎn)移入射機(jī)會(huì)選擇在月球相對(duì)地球赤緯為最南緯的前后幾天。采樣區(qū)的選擇遵循工程技術(shù)上可行、科學(xué)上有特色的原則，確定采樣區(qū)為風(fēng)暴洋區(qū)域。

探測器由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入近地點(diǎn)高200 km、飛行時(shí)間112 h的能量最優(yōu)LTO；到達(dá)近月點(diǎn)實(shí)施兩次近月制動(dòng)后，進(jìn)入高度200 km的環(huán)月圓軌道。與軌返組合體分離后，著陸上升組合體經(jīng)過一次降軌變軌，開始動(dòng)力下降。經(jīng)過2天的月面工作，上升器與著陸器分離，開始起飛上升進(jìn)入15 km×180 km的目標(biāo)軌道。經(jīng)過約2天的交會(huì)，上升器與軌返組合體完成對(duì)接，并轉(zhuǎn)移月球樣品至返回器，隨后分離。經(jīng)過約6天的環(huán)月等待飛行，軌返組合體進(jìn)入112 h的能量最優(yōu)月地轉(zhuǎn)移軌道。在距地面高度約5 000 km的分離點(diǎn)，返回器與軌道器分離，返回器跳躍式再入大氣層，完成再入回收[15]。

3)系統(tǒng)構(gòu)建

探測器系統(tǒng)新研由著陸器、上升器、軌道器、返回器組成的全新探測器，完成地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月、月面軟著落。著陸器在繼承“嫦娥3號(hào)”的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了著陸緩沖能力，上升器和著陸器采用一體化復(fù)用設(shè)計(jì)，返回器繼承了神舟飛船返回艙外型。

運(yùn)載火箭采用我國新研制的、目前推力最大的“長征5號(hào)”運(yùn)載火箭，以獲得足夠的LTO運(yùn)載能力。

發(fā)射場選用我國新建設(shè)的海南發(fā)射場，與“長征5號(hào)”運(yùn)載火箭相適應(yīng)。該發(fā)射場比西昌緯度更低，能夠提高火箭運(yùn)載能力，并且位于海邊，火箭航落區(qū)安全條件更好。

測控與回收系統(tǒng)沿用經(jīng)過“嫦娥3號(hào)”任務(wù)檢驗(yàn)的測控體制和設(shè)施設(shè)備，并新建南美35 m深空站、納米比亞18 m測控設(shè)備等，完善深空測控網(wǎng)和近地航天測控網(wǎng)；新增了再入測量分系統(tǒng)和搜索回收分系統(tǒng)，在繼承載人航天工程地面設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和新研，滿足運(yùn)載火箭、探測器測控任務(wù)和返回器搜索回收任務(wù)的需求。

地面應(yīng)用系統(tǒng)在一期和二期工程基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改造，并新增月球樣品存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室和異地容災(zāi)備份存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，新建密云35 m數(shù)據(jù)接收天線，滿足三期工程月球樣品存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)接收、處理和解譯的任務(wù)需求。

3 我國月球探測的未來發(fā)展

從各國后續(xù)探月計(jì)劃可以看出：

1)月球仍為各國深空探測的熱點(diǎn)；

2)資源探測和利用成為月球探測的重要方向；

3)構(gòu)建月球基地是長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)；

4)突破技術(shù)瓶頸為當(dāng)務(wù)之急。

世界各航天大國或組織均已意識(shí)到，月球作為距離地球最近的天體，既是研究地月系統(tǒng)演化等科學(xué)問題的最佳目標(biāo)，又是開發(fā)與利用資源的寶貴平臺(tái)，還是驗(yàn)證太空長期駐留能力的試驗(yàn)場、進(jìn)軍更遠(yuǎn)深空的跳板。我國在完成嫦娥工程“繞”“落”“回”三步走之后，將躋身于月球探測技術(shù)先進(jìn)國家行列。面對(duì)各航天大國的激烈競爭，我國理應(yīng)乘勢而上，持續(xù)開展月球探測，推動(dòng)探測器技術(shù)和月球科學(xué)的發(fā)展，力爭在國際上實(shí)現(xiàn)從“追趕者”到“領(lǐng)跑者”的跨越。

基于當(dāng)前認(rèn)識(shí)，后續(xù)我國月球探測可分為載人探測和機(jī)器人探測兩個(gè)方向。往載人探測方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)載人登月，最終實(shí)現(xiàn)可容納人類宇航員長期駐留的月球基地，概括為“探、登、駐(住)”三步；往機(jī)器人探測方向發(fā)展，深化月球科學(xué)探測并驗(yàn)證資源開發(fā)與利用、生物再生生命保障等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長期駐留工作、短期可容納宇航員造訪的月球基地，即“探、用、駐(住)”。出于技術(shù)跨度、火箭選型、經(jīng)濟(jì)可承受性、效費(fèi)比等方面因素考慮，我國后續(xù)月球探測應(yīng)繼續(xù)朝著機(jī)器人探測方向發(fā)展，在未來?xiàng)l件成熟時(shí)，啟動(dòng)載人探測方向。

倘若按照空間技術(shù)、空間應(yīng)用和空間科學(xué)三大領(lǐng)域來區(qū)分月球探測活動(dòng)，目前實(shí)施的嫦娥工程主要以空間技術(shù)為主，兼顧空間科學(xué)，通過工程實(shí)施奠定技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測；而后續(xù)的發(fā)展應(yīng)該逐步過渡到空間應(yīng)用和空間科學(xué)并重。

初步設(shè)想我國在2030年前通過實(shí)施3次任務(wù)，著陸在同一地點(diǎn)，建成具備科學(xué)探測、科研試驗(yàn)和資源利用技術(shù)驗(yàn)證的綜合功能月球機(jī)器人科研站，完成月球資源開采和利用、生物再生生命保障等技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人月球探測大三步走中第二步“用”的目標(biāo)，并從空間技術(shù)逐漸過渡到空間科學(xué)和空間應(yīng)用。具體任務(wù)設(shè)想如下：

1)“勘”，勘察月球環(huán)境和資源；

2)“建”，建立長期基礎(chǔ)科研平臺(tái)；

3)“用”，開采利用資源技術(shù)驗(yàn)證。

各次任務(wù)發(fā)射時(shí)間相隔4～5年，實(shí)現(xiàn)一定的技術(shù)跨越，前一次任務(wù)盡可能對(duì)后一次任務(wù)的實(shí)施開展先期驗(yàn)證，后一次任務(wù)通常作為前一次任務(wù)技術(shù)的深化和應(yīng)用。

4 結(jié) 論

基于我國在20世紀(jì)初的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件，確定嫦娥工程以“探”為主攻方向，分“繞”“落”“回”三步實(shí)施。每步之間，前一步是后一步的基礎(chǔ)，后一步是前一步的跨越。每次任務(wù)之間，承前啟后，充分利用前次的技術(shù)，盡可能為后次任務(wù)多做驗(yàn)證。通過“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”“嫦娥3號(hào)”任務(wù)和再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)四戰(zhàn)四捷的良好效果來看，這樣一條嫦娥工程技術(shù)路線做到了：起步晚但起點(diǎn)高；投入少但產(chǎn)出多；任務(wù)次數(shù)少但覆蓋內(nèi)容全；整體能力快速發(fā)展，迅速晉升為國際先進(jìn)。

由于低成本、高回報(bào)、靈活性強(qiáng)、能夠兼顧載人探測發(fā)展需求等突出優(yōu)勢，機(jī)器人探測將成為未來較長時(shí)期內(nèi)月球和深空探測的主要方式。通過3次同一地點(diǎn)著陸任務(wù)，建成多功能月球機(jī)器人科研站，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人月球探測“探、用、駐(住)”大三步走中第二步“用”的目標(biāo)，將是我國后續(xù)月球探測任務(wù)水到渠成的可行選擇。

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[責(zé)任編輯：宋宏]

Technology Roadmap for Chang’E Program

PEI Zhaoyu， WANG Qiong， TIAN Yaosi

(Lunar Exploration and Space Engineering Center， Beijing 100037， China)

The moon is the nearest celestial body of the earth. Because of its unique spatial position and broad prospects of scientific exploration， it has become the preferred objective and consecutive option of human space exploration and resource utilization. In this paper， at first the development and accomplishments of the world’s major space powers on lunar exploration are retrospected， and their future development plans are summarized. Then the development idea and technology roadmaps for the Chinese Lunar Exploration Program are introduced in details. Finally future development direction of Chinese lunar exploration is analyzed and a concept of robotic lunar science station mission before 2030 is proposed．

lunar exploration；technology roadmap；Chang’E program；robot；lunar science station

2015-06-10

2015-06-24

國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目

TP242.6； V448.2

A

2095-7777(2015)02-0099-12

10.15982/j.issn.2095-7777.2015.02.001

裴照宇(1966—)，男，研究員，探月二期工程副總師、三期工程副總師，探月與航天工程中心副主任。主要研究方向：航天任務(wù)總體設(shè)計(jì)、航天工程管理。 通信地址：北京市西城區(qū)車公莊大街12號(hào)核建大廈10層(100037) 電話：(010)88306186 王瓊(1983—)，男，博士生，高級(jí)工程師，主要研究方向：月球與深空探測任務(wù)總體設(shè)計(jì)、星球巡視器任務(wù)規(guī)劃、深空測控通信技術(shù)等。本文通訊作者。 通信地址：北京市西城區(qū)車公莊大街12號(hào)核建大廈10層(100037) 電話：(010)88306151 E-mail：wangq2006@163.com