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“十二五”中國空間探測活動回顧

The 12th Five-year Plan in Review: China's Space Exploration Activities

“十二五”期間，我國空間探測活動取得了突出成就。嫦娥－2繞月探測器開展了多項拓展試驗，包括探測了圖塔蒂斯（Toutatis）小行星；嫦娥－3落月探測器首次實現(xiàn)了我國對地球以外天體的軟著陸，使我國成為世界上第三個掌握落月探測技術的國家，同時進行了就位探測和巡視探測，工程和科學成果雙豐收；探月工程三期再入返回飛行試驗器（簡稱試驗器）的返回器順利著陸，表明我國已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術，其服務艙進行了多項重要的拓展試驗。

1 2011年我國空間探測相關活動

2011年4月1日，嫦娥－2繞月探測器半年設計壽命期滿，全面實現(xiàn)了既定的各項工程目標和科學探測任務。雖然壽命期滿，但嫦娥－2運行狀態(tài)良好，剩余燃料較充足，全系統(tǒng)狀態(tài)正常穩(wěn)定。為最大限度發(fā)揮嫦娥－2的作用，深化和拓展月球及深空探測成果，嫦娥－2在設計壽命期滿后開展了三項拓展試驗：一是在已獲取99.9%月球圖像的基礎上，補全了月球南北兩極漏拍點，以期獲得世界最全的高分辨率月球圖；二是用主發(fā)動機降軌至15km，再次對嫦娥－3預選著陸區(qū)虹灣地區(qū)進行了高清晰度成像，以驗證在月球背面衛(wèi)星不可監(jiān)測的條件下，導航控制與推進系統(tǒng)的協(xié)同能力；三是擇機離開了月球，飛往日地拉格朗日2點（L2點）長期駐留，進行科學探測。

2011年8月25日，經(jīng)過77天的飛行，嫦娥－2在世界上首次實現(xiàn)從月球軌道出發(fā)，受控準確進入日地L2點環(huán)繞軌道。9月1日，嫦娥－2與太陽、地球、L2點處在同一平面內(nèi)，這標志著嫦娥－2成功完成了各項拓展試驗，使我國成為世界上繼歐洲航天局和美國之后第3個造訪日地L2點的國家和組織。嫦娥－2拓展試驗的成功實施，創(chuàng)造了我國航天乃至國際航天的多個“第一”：國際上第一次從月球軌道出發(fā)探測拉格朗日點的航天活動；我國第一次對月球以遠的太空進行探測；我國第一次開展L2點轉移軌道和使命軌道的設計和控制，并實現(xiàn)1.5×106km遠距離測控通信。

2 2012年我國空間探測相關活動

2012年6月1日，已在日地L2點開展了10個月科學探測的嫦娥－2成功變軌，進入飛往小行星的軌道。

2012年12月13日，嫦娥－2在距地球約7×106km的深空與圖塔蒂斯小行星交會。它們交會時的相對距離約3.2km左右，相對速度10.73km/s，并用星載監(jiān)視相機對該小行星進行了光學成像。這不僅是我國首次實現(xiàn)對小行星的飛越探測，也是國際上首次實現(xiàn)對圖塔蒂斯小行星的近距離探測。

嫦娥－2對圖塔蒂斯小行星的探測，使我國成為繼美國、歐洲航天局和日本之后世界第4個探測小行星的國家。在實現(xiàn)“軌道測得準、衛(wèi)星控得住、圖像拍得好”的工程目標后，嫦娥－2工程完美收官。

嫦娥－2奔向L2點示意圖

嫦娥－2拍攝的圖塔蒂斯小行星

嫦娥－2再拓展試驗的成功實施，突破并驗證了衛(wèi)星對小天體探測的軌道設計與飛行控制技術，實現(xiàn)了我國航天飛行從4×105～7×106km以遠的跨越；為嫦娥－3任務新建成的喀什35m、佳木斯66m大型深空站和上海65m甚長基線干涉測量（VLBI）站提供了最佳合作目標，驗證了天地測控設備的正確性和協(xié)調(diào)性；我國第一次綜合利用光學天文望遠鏡實現(xiàn)對圖塔蒂斯小行星的飛行軌道精確測定，進一步驗證并完善了國際天文聯(lián)合會對小行星的軌道觀測數(shù)據(jù)；開辟了我國航天活動一次發(fā)射開展月球、日地L2點、小行星等多目標、多任務探測的先河。這些都為我國未來開展月球以遠的深空探測積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

3 2013年我國空間探測相關活動

2013年12月2日，我國用長征－3B改進型火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功把嫦娥－3落月探測器直接送入地月轉移軌道。12月14日，嫦娥－3在月面軟著陸，首次實現(xiàn)了我國對地球以外天體的軟著陸。12月15日，玉兔號月球車與嫦娥－3著陸器分離，踏上月面。12月15日，嫦娥－3著陸器與玉兔號月球車互相拍照，它標著著嫦娥－3任務取得圓滿成功，使我國成為世界第三個掌握落月探測技術的國家，從而在世界探月第二集團中處于領先地位。

嫦娥－3由著陸器和巡視器（俗稱月球車，名為玉兔號）組成，相當于發(fā)射了2個月球探測器，分別開展就位探測和巡視探測，這在國際上也是首次。而且它還首次實現(xiàn)了我國航天器在地外天體巡視探測；首次實現(xiàn)了對月面探測器的遙操作；首次實現(xiàn)了探測器在極端溫度環(huán)境下的月面生存等。這些使我國航天技術實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，有力地推動了空間科學研究的進步。

嫦娥－3著陸器拍攝的玉兔號月球車在月面工作的實景

其著陸器在落月時克服了反推減速、自主控制、著陸緩沖三大技術難點。與此前國外的落月探測器著陸相比，嫦娥－3著陸的特點是可以懸停、避障，而不是盲落，從而大大增加了著陸的安全性。實踐證明，嫦娥－3設計合理、制造精良、操作無誤，所以它不僅安全落在了月球19.5°（W）、44.1°（N）的虹灣以東區(qū)域，而且非常平坦，只有1°～2°傾斜，遠遠低于小于15°傾斜的要求，為后續(xù)順利開展科學探測奠定了基礎。

其巡視器采用了高精度月面視覺識別、月面巡視動態(tài)規(guī)劃、視覺定位技術路徑規(guī)劃、機械臂運動控制和虛擬現(xiàn)實操作與控制等新技術。依靠視覺完成定位在我國是首次，地面遙操作人員是通過月球車周邊環(huán)境的立體圖像，根據(jù)探測目標進行路徑規(guī)劃和移動控制，包括抵達目標后規(guī)劃遙控機械臂進行探測。

玉兔號月球車用其全景相機中的右相機拍攝的嫦娥－3著陸器

嫦娥－3利用發(fā)動機反推減速在月面軟著陸過程示意圖

嫦娥－3在落月后經(jīng)受住月球晝夜極端溫差的考驗而“存活”下來。它首次采用了同位素熱源以及導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、低重力環(huán)境下機構的重復展開與收攏技術、月塵環(huán)境下機構的潤滑與密封技術等，以確保艙內(nèi)溫度控制在－20～50℃之間，使探測器系統(tǒng)能順利度過月夜，太陽一出來，可通過探測器上的光照自主喚醒電路，重新展開的太陽電池翼繼續(xù)工作。白天時，探測器的太陽電池翼還要調(diào)整角度，避免被陽光照射得太熱，最熱的月午，還要進行“午休”。

它實現(xiàn)了三個科學目標：一是調(diào)查了著陸區(qū)與巡視區(qū)月表地形地貌與地質(zhì)構造；二是調(diào)查了著陸區(qū)與巡視區(qū)月表物質(zhì)成分、月球內(nèi)部結構以及可利用資源；三是探測了地球等離子體層以及開展月基光學天文觀測。嫦娥－3在世界上首次使用了極紫外相機、月基光學望遠鏡和測月雷達3種科學探測儀器，完成了“觀天、看地、測月”三大科學任務，從而幫助我國科學家更加準確、更加直接地了解神秘美麗的月亮。

4 2014年我國空間探測相關活動

嫦娥－3著陸器圓滿完成第13個月晝的全部預定工作

2014年1月23日，玉兔號月球車與相距24m的嫦娥－3著陸器進行了首次通信，為未來深空探測和建立空間站等打好了通信基礎。它們通過特高頻（UHF）頻段通信鏈路傳遞信息，這是一種單項通信設備，即只能由玉兔號月球車給嫦娥－3著陸器發(fā)送信息，著陸器可以接收，然后轉發(fā)給地球上的接收站，但不能發(fā)信息給玉兔號。它使我國首次實現(xiàn)了地外天體表面的器間無線電通信。

到2014年底，嫦娥－3著陸器工作正常，但玉兔號月球車在進入第二個月夜休眠前出現(xiàn)了機構控制異常情況，只能停在原地進行就位探測。

2014年12月15日，嫦娥－3著陸器圓滿完成第13個月晝的全部預定工作，順利進入月夜休眠。截至2014年12月14日21：14，嫦娥－3登陸月球已滿1年。1年來，北京航天飛行控制中心精心護航嫦娥－3，先后進行了13次月夜休眠和月晝喚醒，成功經(jīng)受住歷次月夜極寒環(huán)境的考驗；分別于2014年4月5日和10月8日安全度過2次月食。從2014年12月15日起，嫦娥－3著陸器開始超期服役。

探月工程三期再入返回飛行試驗獲得圓滿成功

2017年前后，我國將執(zhí)行嫦娥－5月球采樣返回任務，即用返回艙把月球上的2kg樣品帶回地球在實驗室進行精查。不過，與“神舟”飛船返回艙以大約7.9km/s的第一宇宙速度返回地面不同，未來的嫦娥－5返回器將以接近11.2km/s的第二宇宙速度返回再入大氣層。這項技術十分復雜，無法通過地面模擬得到充分驗證，所以是未來嫦娥－5月面采樣、月面上升、月球軌道交會對接、再入返回四大關鍵技術中最難的一項，風險很大。

為此，我國決定先發(fā)射探月工程三期再入返回飛行試驗器（簡稱試驗器），以突破航天器以接近第二宇宙速度再入返回這一關鍵技術。它先飛抵月球附近，接著，自動返回地球，最后采用半彈道跳躍式以接近第二宇宙速度再入大氣層，在內(nèi)蒙古中部地區(qū)以傘降形式著陸。采用彈起然后再入的方式再入返回地球可以拉長試驗器再入距離，達到降能減速的目的，確保飛行器返回順利。

2014年10月24日，試驗器升空。同年11月1日，試驗器的返回器在內(nèi)蒙古四子王旗預定區(qū)域順利著陸。這是我國航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，它的成功表明，我國已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術。

試驗器由服務艙和返回器兩部分組成，總質(zhì)量為2t多，返回器安裝在服務艙上部。服務艙以嫦娥－2繞月探測器平臺為基礎進行適應性改進設計，具備留軌開展科研試驗功能；返回器為新研產(chǎn)品，采用鐘罩側壁加球冠大底構型，質(zhì)量約330kg，具備返回著陸功能，與探月三期正式任務中返回器的狀態(tài)基本保持一致。

這次飛行任務驗證了探月三期的六項關鍵技術：一是驗證了返回器氣動外形設計技術；二是驗證了返回器防熱技術；三是驗證了返回器半彈道跳躍式高速再入導航制導與控制系統(tǒng)技術；四是驗證了月地返回及再入返回地面測控支持能力；五是驗證了返回器可靠著陸技術；六是驗證了返回器可靠回收技術。

試驗器采用繞月自由返回軌道，經(jīng)歷了發(fā)射段、地月轉移段、月球近旁轉向段、月地轉移段、返回再入段和回收著陸段6個階段。它離地面約5000km時服務艙和返回器分離，服務艙進行規(guī)避機動，返回器在該階段首先滑行飛行，在距離地面約120km高處，返回器以再入姿態(tài)和接近第二宇宙速度進入大氣層。

試驗器的返回器采用半彈道跳躍式再入返回示意圖

這次任務的完成實現(xiàn)了四大技術突破：高速的氣動力、氣動熱技術；高熱量、大熱流的熱防護技術；高精度、高動態(tài)的制導導航控制技術；長距離、大范圍的再入回收測控技術。它也實現(xiàn)了我國航天的多個“首次”，例如，首次讓航天器從月球回到地球；首次采用半彈道跳躍式返回地球；首次突破了第二宇宙速度再入情況下的一些防熱技術；首次采用“8”字形的繞月自由返回軌道。

在這次飛行試驗過程中，主要獲取了三方面的數(shù)據(jù)：安全數(shù)據(jù)記錄器（黑匣子）存儲的數(shù)據(jù)；返回器防熱層測量數(shù)據(jù)；地面測控站對返回器直接測量和接收的數(shù)據(jù)。目前，獲得了以下初步結論：航程、開傘點位置精度和落點位置精度均滿足要求；飛行過程中，力學過載滿足要求；實際飛行氣動特性符合理論預期；回收系統(tǒng)工作正常，著陸速度符合設計預期；返回器燒蝕形貌符合預期；返回器內(nèi)部溫度符合要求；返回器內(nèi)部設備工作正常，落地后結構完整；獲取了全部飛行數(shù)據(jù)，內(nèi)容完整、有效?？傮w來看，實現(xiàn)了全部飛行目標，全面突破和掌握了高速半彈道跳躍式再入返回技術。

首次展出我國火星車模型

2014年6月，已成為我國首個人造太陽系小行星的嫦娥－2在與地球之間距離為1.0×108km處仍能進行測控通信，從而為我國未來的火星探測奠定基礎。嫦娥－2向更遠的深空飛行，既可驗證我國測控通信系統(tǒng)的傳輸能力，也能測試國產(chǎn)元器件壽命。

在2014年11月舉行的第十屆“珠海航展”上，中國航天科技集團公司首次展出了我國火星車模型。據(jù)有關領導透露，中國首次火星探測任務已完成論證，目標是通過一次任務實現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測，獲取自主火星探測科學數(shù)據(jù)，實現(xiàn)深空探測技術的跨越。

5 2015年我國空間探測相關活動

嫦娥-3成果一瞥

嫦娥－3落月探測器在月面工作期間，成功采集天文圖像，獲取地球等離子體層觀測結果，多方位測月，獲得了多項科學成果。例如，2015年3月12日，我國科學家在國際頂級學術期刊《科學》上發(fā)表了玉兔號月球車的新發(fā)現(xiàn)——月球的地質(zhì)史比人們此前認為的更為復雜。由玉兔號上的測月雷達探測到的數(shù)據(jù)顯示，嫦娥－3著陸區(qū)表面下至少分為9層結構，這表明在那里曾有多個地質(zhì)學過程發(fā)生，對于探索月球的巖漿演化歷史和后期改造作用具有非常重要的意義。2015年12月22日，科研人員在英國《自然·通訊》上刊文透露，玉兔號月球車發(fā)現(xiàn)了新的月球巖石品種，這有助于研究月球近期火山活動。迄今為止，從月球采集的玄武巖樣本中的鈦元素含量要么特別高，要么特別低。但玉兔號檢測了在一座環(huán)形山附近的“年輕”巖石樣本后發(fā)現(xiàn)，這里玄武巖的鈦含量處于中游水平，鐵含量則相當高。這是非常重要的發(fā)現(xiàn)，因為玄武巖所含礦物質(zhì)的結構與成分能夠透露出形成玄武巖巖漿的信息。此次研究成果還能幫助科學家更好地分析軌道探測器的月面觀測結果。

另外，截至2015年底，嫦娥－3已在月面度過2年，著陸器大部分設備仍在工作，成為全球在月表工作時間最長的人造航天器。

首次展出的我國1∶1火星巡視器（火星車）模型

2015年10月5日，國際天文學聯(lián)合會（IAU）在其官網(wǎng)上公布：批準將嫦娥－3探測器著陸點周邊區(qū)域命名為“廣寒宮”，其附近的3個撞擊坑分別命名為“紫微”、“天市”和“太微”。這是繼2010年8月我國首次命名月球地名之后的又一次獲批，表明了中國在月球探測和行星科學研究方面的國際影響力正在逐步提高。

試驗器的服務艙進行多項拓展試驗

在探月工程三期再入返回飛行試驗器的返回器安全準確著陸后，為了最大限度利用服務艙的能力，又拉升了服務艙軌道，進一步開展了以下幾項拓展試驗：①遠地點540000km、近地點600km大橢圓軌道拓展試驗和地月L2點軌道飛行試驗；②返回傾斜環(huán)月軌道近月制動飛行驗證；③月球軌道交會對接遠程導引飛行過程驗證；④環(huán)月圓軌道演化特性和軌道環(huán)境探測；⑤服務艙搭載設備在軌試驗，等等。

2015年3月3日～7日，試驗器的服務艙完成了第三階段拓展試驗，模擬了嫦娥－5上升器與軌道器在月球軌道交會對接之前的飛行控制過程，驗證了嫦娥－5上升器遠程導引控制策略、天地協(xié)同控制時序、軌道測量與飛行控制精度等相關技術，獲取了試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，評估了軌道設計和交會方案，為后續(xù)嫦娥－5任務順利實施提供了參考。它包括兩部分內(nèi)容：首先通過3次控制，將服務艙飛行軌道由200km環(huán)月圓軌道降低至近月點18km、遠月點180km的軌道；然后進行4次遠程導引控制，模擬嫦娥－5上升器由距離月面18km處開始，通過不斷調(diào)整姿態(tài)和軌道，追趕軌道器，最終飛行至適合于兩器交會對接位置的過程。

在第二和第三階段試驗中，服務艙分別扮演了嫦娥－5任務的軌道器和上升器兩個角色，先后模擬了這兩個飛行目標在月球軌道交會對接之前的相對運動過程和飛行控制過程。

試驗器的服務艙環(huán)繞地月L2點飛行示意圖

此后，服務艙進行了嫦娥－5采樣區(qū)成像等第四階段試驗，并擇機開展了月球重力場反演等科學試驗項目。成像飛行任務于8月30日～9月2日進行，服務艙同時采用雙分辨率相機的寬視場相機與窄視場相機，對嫦娥－5預定采樣區(qū)進行了遙感成像。成像時，服務艙飛行高度距月面30km。為開展成像任務，8月28日，服務艙按計劃實施降軌控制，進入了近月點30km、遠月點80km的預定軌道。

雙分辨率窄視場相機拍攝的月面圖像

服務艙于2015年9月2日完成對嫦娥－5預定采樣區(qū)遙感成像飛行任務，獲取了該區(qū)域地形地貌信息，為嫦娥－5任務月面軟著陸和采樣區(qū)域的選擇提供了依據(jù)。其圖像分辨率1m左右，已處理的圖像效果良好。接下來又擇機開展了月球重力場反演等科學試驗項目。

服務艙拓展試驗獲得了多項成果。例如，獲取了地月L2點轉移軌道、使命軌道的軌道特性與控制經(jīng)驗，為嫦娥－5的軌道控制進行技術驗證；驗證了交會對接方案中快速測定軌精度和遠程導引過程中多次機動飛向控制時序設計的正確性，為降低嫦娥－5的著陸風險和提高安全性提供支持；考核了工程設備的在軌工作情況。此外，還利用雙分辨率相機對嫦娥－5采樣區(qū)開展觀測，盡可能獲取采樣區(qū)動力下降航跡區(qū)的地形地貌。

嫦娥－4將率先實現(xiàn)月球背面軟著陸

我國科研人員在對嫦娥－2探測數(shù)據(jù)的深度挖掘后，于2015年11月2日在《自然》出版集團旗下期刊《科學報告》在線發(fā)表了研究成果，成功揭示了近地小行星圖塔蒂斯表面的碎石分布特征。

2015年11月30日，在國防科技工業(yè)局召開的探月工程重大專項領導小組第14次會議上，審議通過了嫦娥－4任務實施方案的調(diào)整報告、研制總要求及后續(xù)總體研制計劃，中國嫦娥－4任務將實現(xiàn)世界首次月球背面軟著陸。

嫦娥－4原是嫦娥－3的備份，在嫦娥－3任務圓滿完成后，為充分利用已有產(chǎn)品條件，開展具有創(chuàng)新性和引領性的探測活動，論證小組深入研究、充分論證，最終確定嫦娥－4任務的調(diào)整后的實施方案。

月球背面是月球永遠背對地球的那一面，與月球正面不同的是，背面月海較少而多撞擊坑。此外，來自地球的電磁波干擾在月球背面都會被遮蔽掉，月球背面電磁環(huán)境非常干凈，是天文學家夢寐以求開展低頻射電研究的場所。

因此，嫦娥－4搭載的載荷與前往月球正面著陸的嫦娥－3不同。如果嫦娥－4攜帶1個低頻射電頻譜儀前往月球背面，將實現(xiàn)人類首次在月球背面開展天文觀測。而月球背面無法直接與地球進行通信，在嫦娥－4抵達月球背面前，需要發(fā)射1顆中繼衛(wèi)星前往地月L2點，為地球與嫦娥－4之間的通信提供服務，該衛(wèi)星預計在2018年左右發(fā)射。

雖然人類對月球探測已有半個多世紀，目前除環(huán)繞月球的繞月探測器在軌道上拍攝過月球背面的圖片外，尚未有月球探測器實現(xiàn)月球背面著陸，嫦娥－4與地月L2點的中繼衛(wèi)星將創(chuàng)造人類航天史上的奇跡。

諸葛匯/文