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嫦娥工程二、三期研究展望
（2007年12月18日 15:24）
來源︰《中國航天》 2007年第11期
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□作者: 紫 曉
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5 嫦娥工程二期將突破哪些關鍵技術?
我國嫦娥工程二期是一期工程的深化和突破，對于這一新的領域，需要突破的環節很多，核心是能力建設。在繼承一期工程取得的技術成果的基礎上，根據二期工程的科學目標，專家建議。需要突破的關鍵技術主要有︰
(1)探測器系統總體方案設計技術
我國月球探測二期工程的探測器相對于以往的衛星、飛船等是完全新型的航天器，與嫦娥1號相比，其設計思路也將有很大的不同。核心任務是實現探測設備登上月球，並進行科學探測。其主要工程技術目標是突破月球軟著陸、月球車及其它相關技術，研制和發射月球軟著陸探測器和月球車，建立月球探測航天工程基本系統。月球軟著陸探測與以往的地球軌道返回著陸有著本質的不同和很大的技術難點。專家設想，我國的月球軟著陸探測將由著陸器和探測器兩部分，或者再加上軌道器三個部分組成，相互配合完成探測任務。同時，探測器系統承載的科學儀器種類繁多，工作模式需相互切換。對探測器系統的總體設計提出了新的要求；探測器系統經歷運載火箭發射段和著陸沖擊段兩段力學環境和月面復雜的空間與地理條件，比以往的航天器面臨更多的考驗。探測器系統的組成、軌道設計與優化、總體構形設計、主要技術指標確定、各分系統技術要求與技術指標的匹配性分析等，都是必須解決的關鍵技術。
(2)月面巡視探測器(月球車)研制技術
月球車是一種能夠在月球表面移動，完成探測、采樣、運載等任務的月球探測器。利用月球車對月面進行就位探測，是我國月球探測二期工程的重頭戲，月球車雖小，卻五髒俱全，技術含量非常高。因此，需要突破月球車總體方案設計與優化、月球車移動技術、定位、路徑規劃與控制等大量的新技術。
(3)運載火箭發射技術
由于月球軟著陸探測任務具有發射速度增量要求大、入軌精度要求高、發射窗口較小、發射軌道需隨發射時間而改變等特點，因此，對運載火箭發射技術而言，面臨著提高運載能力、人軌精度和發射適應性等關鍵技術問題。早日突破新型運載火箭關鍵技術，是我國月球探測工程順利實施的重要保證。
(4)測控通信技術
在40多年的時間內，人類的視野借助航天技術已延伸到太陽系的所有行星及其部分衛星。深空探測器的跟蹤測量技術、深空通信技術也隨之不斷發展。目前，美國、俄羅斯、日本、歐空局等國家和組織建有深空測控通信站，並開展了一系列卓有成效的深空探測活動。
深空測控通信系統是地面與深空探測器聯系的通道和紐帶，在深空探測任務中起著關鍵的作用。由于深空任務周期長、通信時延大、鏈路帶寬有限、信號微弱、數據更加關鍵可貴等一系列原因，使得深空測控通信實現起來更為困難，無論對星上設備還是對地面設備等都帶來新的挑戰。
專家認為，為完成軟著陸探測任務，地面應建立相應的深空測控網。其中的大口徑多頻段高增益天線站技術、測控通信站的規模和布局、深空測控系統采用的頻段、信號形式和調制方式、測量精度更高的同波束干涉技術、差分單向測距測量技術、實時性更強的高精度連接單元干涉技術、天基深空數據中繼的組網技術、針對各種深空測控體制的不同測量數據類型的系統誤差修正技術等都是需解決的關鍵技術。需組織開展技術攻關的深空測控通信關鍵技術主要包括︰深空測控總體技術、深空測控體制研究、軌道測定與控制技術、深空測控設備及相關技術、天線組陣技術等。
(5)月球軟著陸自主導航與控制技術
月球軟著陸的工程不同于地球軌道航天器的氣動返回。由于月面環境的不確定性和著陸軌跡的復雜性，需依靠探測器的制導、導航與控制系統實現基于敏感器的自主導航，並研究相應的算法實現著陸段的地形識別與避障，以保證著陸的精度與安全性。對月測速、測高及地形識別的敏感器是以往航天器上沒有使用過的，同時，對作為控制系統執行機構的發動機與推力器也有更高的要求。需研究發動機延長壽命、提高比沖等問題。
(6)著陸器結構與緩沖機構技術
著陸緩沖機構是著陸安全的重要保證。需可靠吸收著陸沖擊能量，並在一定的地形條件下，保證著陸器不反彈、不翻倒。由于著陸器攜帶大量燃料、服務設備及科學儀器，因此，專家認為，架式結構更適應我國月球探測二期工程的需求，而大型承力式桁架結構是我國以往航天器上沒有采用過的，包括桁架的承力路徑分析、材料的選取、接頭桿件的設計等。緩沖方式的選擇、緩沖材料的選取、緩沖系統各參數的選取與優化是必須解決的關鍵技術。
(7)月面探測的測控通信技術
在地面深空網建立的情況下，仍需對探測器上的測控通信系統進行進一步研究，包括研究高增益的編碼技術，研制雙頻應答機，比較不同類型的天線的優劣等。同時，為解決著陸器和月面巡視器在月面上工作期間相互間的通信問題，需研究月面的電波傳輸特性、繞射特性，並探討超視距通信的可行性。
(8)月面生存的熱控技術
月夜的惡劣溫度環境、沒有太陽能可利用給熱控帶來了極大的挑戰。同位素技術是解決探測器度過漫長月夜的必需手段，這種技術在我國航天器上是首次使用。要研究同位素系統的設計，研究熱能的利用、相應的熱控措施、試驗驗證、輻射防護等。同時，在月面復雜外熱流環境下，需采用新型的熱控技術才能保證順利度過高溫和低溫環境，如熱開關、相變材料等。
(9)小型化電子技術
月球探測器的高風險與高成本促使對探測器的重量與功耗必須有一個限制。探測器上的各種電子設備的輕小型化低功耗設計與研制是深空探測器必須攻克的關鍵技術。
(10)月面巡視探測技術
主要包括月面巡視探測器(月球車)移動技術和一體化驅動組件技術，環境感知、識別與建模及傳感器數據處理技術。月面的定位、路徑規劃與控制技術和遙控操作技術等。
(11)月面工作機構研制技術
探測器上的工作機構需在月面1/6重力條件下工作，這是以往航天器所沒有設計過的。為滿足月夜月晝交替的需求，需實現機構的重復展開與復位。為支持科學儀器的工作，需研究相應的機械臂，並控制其完成預定的任務。
(12)仿真與地面試驗驗證技術
軟著陸與巡視探測任務與典型的地球軌道航天器任務相比。具有較強的特殊性，所經歷的環境條件更加復雜多變。在設計過程中，必須進行仿真與地面試驗驗證工作，達到總體方案比較、關鍵技術問題分析、技術途徑驗證等目的。
著陸過程的軌道設計與控制、著陸沖擊載荷、著陸後探測器的熱環境、光照環境、測控通信鏈路等必須通過地面數學仿真的手段進行驗證。著陸過程為實時控制，變化因素多，控制難度大。為保證下降平穩和著陸安全，對制導、導航與控制系統和發動機提出了很高的要求。需要保證多台發動機及姿態發動機協調工作，工作方式為連續加脈沖工作方式，其工作過程需要地面驗證。著陸的穩定性與沖擊載荷是否滿足要求，要求地面進行多種相應工作狀況的組合驗證。驗證與優化著陸器緩沖系統的設計。
同時，巡視探測器的通過性、穩定性也需要在類似的月貌環境下進行地面驗證，以確認其越過障礙的能力、規避障礙的能力、抗側傾的能力、爬坡能力等技術指標得到滿足。探測器在月面所經歷的外熱流環境也是必須在地面進行試驗驗證的關鍵項目。
(13)月面特殊環境及其與探測器的作用效應研究
月面環境包括地形地貌、機械物理特性、月壤的光學和熱特性、輻射環境、月塵等方面，這些環境的具體特性及其對探測器的作用效應是航天器研制的基本條件和保證。目前缺乏第一手探測資料，需要開展深入的研究，從而為探測器的設計奠定基礎。
我國嫦娥工程三期展望
我國嫦娥工程三期的內容是發射一顆月球軟著陸器，進行首次月球樣品自動取樣並安全返回地球，在地球上對樣品進行分析研究。
1 嫦娥工程三期的科學目標和工程目標展望
嫦娥工程三期將充分利用二期工程已建立的測控通信系統和著陸探測器平台。研制返回器來完成預定任務。它將發射由著陸器和返回器組成的探測器系統，在月面軟著陸。探測器在月面安全著陸後，要利用各種科學儀器對著陸區做進一步的探測，采用機械臂完成采樣任務，最後由返回器攜帶樣品返回地面。順利回收後，樣品將送到專門的實驗室中進行系統的分析研究。
三期工程的主要科學目標為︰
進行著陸區的探測與研究︰采集月球樣品返回地面，對樣品進行系統的岩石學、礦物學同位素月質和月球化學研究，結合月面物質成分的分析數據，深化月球和地月系統的起源和演化的研究；深化對地月系統起源與演化的認識。
三期工程的主要工程目標為︰
發展新型月球巡視車︰發展小型采樣返回艙、月表鑽岩機、月面采樣器、機器臂等︰在現場分析取樣的基礎上，采集樣品返回地球；對著陸區進行考察，為載人登月探測、建立月球前哨站的選址提供數據。
2 月球樣品自動采樣返回的關鍵技術
三期工程的任務目標是采集月球樣品並返回地球，用于開展進一步的科學研究。三期工程可充分借鑒二期工程的著陸技術，同時需要攻克下列關鍵技術。
(1)采樣器的設計與控制
獲取月壤的采樣器需要具備研磨、鑽取月壤和輸送月壤的能力。在月球的特殊環境條件下，如何保證采樣器的功能是必須解決的問題。
(2)月球至地球飛行技術
包括月面起飛技術。月地返回軌道的設計與制導、導航與控制技術，高速地球再入技術和回收技術等。
(3)高精度月球采樣分析技術等。
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文章作者:紫 曉
責任編輯:skylook
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