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嫦娥三号探测器

由着陆器和巡视器(玉兔号月球车)组成

嫦娥三号探测器,是我国嫦娥探月工程二期的一部分,是为了在月球软着陆的无人登月探测器。嫦娥三号探测器由着陆器和月面巡视器(又称“玉兔号”月球车,英文:Yutu)组成。

嫦娥三号探测器于2013年12月2日在西昌卫星发射中心长征三号乙运载火箭送入太空,并于当月14日成功软着陆于月球虹湾着陆区,15日完成着陆器巡视器分离。在进入第二次月夜休眠前,受复杂月面环境的影响,月球车的机构控制出现异常。目前,嫦娥三号着陆器工作状态良好,月球车出现异常不能行走,但依存存活。

嫦娥三号成功着陆月球,使中国成为继前苏联、美国之后,世界第三个实现月球软着陆的国家。

名称嫦娥三号包括着陆器和巡视器
研制国家中华人民共和国研制单位中国空间技术研究院(航天五院)
发射时间2013年12月2日1时30分着陆时间2013年12月14日21时11分
发射场西昌卫星发射中心运载工具长征三号乙增强型运载火箭

着陆器

嫦娥三号着陆器

图:嫦娥三号着陆器

在嫦娥三号配置的多种科学探测仪器中,有三台仪器都将实现国际上首次科学探测。

1、在着陆器的顶部安装了一台近紫外光学望远镜,将实现国际上首次利用月基光学望远镜开展重要天体光变的长期连续监测和低银道带的巡天观测。主要监测致密双星、活动星系核、短周期脉动变星等。

2、在着陆器的顶部安装了一台极紫外相机,将对地球周围的等离子体层产生的30.4nm辐射进行全方位、长期的观测研究。这是国际上首次在月面上利用极紫外相机对地球空间等离子体层实施大视域一次性的极紫外成像,从整体上探测太阳活动和地磁扰动对地球空间等离子层极紫外辐射的影响,研究等离子层在空间天气过程中的作用,并能提高我国空间环境监测和预报能力。

3、在月球车的底部安装一台测月雷达,这是国际上首次直接探测30米深度内月壤层的结构与厚度和数百米深度内月壳浅层的结构。

巡视器

玉兔号月球车

图:玉兔号月球车

嫦娥三号巡视器,又称玉兔号月球车。玉兔号月球车设计质量140千克,能源为太阳能,能够耐受月球表面真空、强辐射、摄氏零下180度到零上150度极限温度等极端环境。月球车具备20度爬坡、20厘米越障能力,并配备有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器。

2013年12月15日4时35分,嫦娥三号着陆器与巡视器分离,“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。2013年12月15日23时45分完成玉兔号围绕嫦娥三号旋转拍照,并传回照片。2014年1月25日凌晨,嫦娥三号月球车进入第二次月夜休眠。但在休眠前,受复杂月面环境的影响,月球车的机构控制出现异常。2014年2月10日,第一次玉兔号唤醒失败。2014年2月12日夜,玉兔号月球车已全面苏醒,状态趋于好转,但是如果出现问题的“机构”仍然有待进一步恢复。

研制历程

2012年初,嫦娥三号转入初样研制。

2012年1月,月球着陆器的悬停避障及缓速下降等各项验证性试验完成。

2012年3月,探月工程二期嫦娥三号任务正式由初样研制转入正样研制。

2012年8月,嫦娥三号着陆器正式开始了正样阶段测试。

2012年11月,嫦娥三号着陆器热试车力学试验工作完成。

2013年5月,嫦娥三号开始最后一项大型系统试验——热试验。

2013年8月,嫦娥三号任务由研制建设阶段转入发射实施阶段。

2013年9月,嫦娥三号探测器各部件搭乘大型专用货机运抵西昌。

2013年12月2日,“嫦娥三号”从西昌卫星发射中心成功发射。

2013年12月6日,嫦娥三号准确进入环月近圆轨道。

2013年12月14日,嫦娥三号成功着月,降落相机传回图像。

任务简介

发射

2013年12月2日1时30分,嫦娥三号月球探测器搭载长征三号乙火箭发射升空。嫦娥三号携带有一台无人月球车,重3吨多,是我国设计最复杂的航天器。

地月转移轨道

与嫦娥一号发射时采用调相轨道不同,这次长征三号乙火箭将直接将嫦娥三号送入地月转移轨道。火箭第三级在进入地月轨道后,才与嫦娥三号分离,之后嫦娥三号经过若干次中途轨道修正,即可抵达月球。

进入绕月轨道

嫦娥三号在接近月球时,主发动机点火减速,以被月球引力捕获进入椭圆形绕月轨道。之后,嫦娥三号还要进行2次减速,精确进入100公里高度的圆形绕月轨道。嫦娥三号在圆形轨道上待机,时机适合才能实施月球软着陆。

着陆月球

着陆阶段,嫦娥三号要先点火减速,进入100公里×15公里椭圆形轨道。然后在15公里近月点,主发动机开始长时间启动减速,到距月面2公里高度时速度降至0。随后,嫦娥三号将姿态改为悬停式垂直下降,并自动寻找平坦月面,实施着陆。

探测

嫦娥三号着陆后,释放搭载在顶部的月球车。嫦娥三号将与月球车一起开展为期90天的探月任务,包括月面多光谱成像、月基天文观测、月壤结构及成分分析等。其中的月壤分析需月球车将月壤抓取在车内进行分析。

月球车会将月面多光谱成像、月基天文观测、月壤分析等的数据及月表照片传回地球。此外分开工作的着陆器和月球车可互相监视,用各自携带的相机“互拍”,届时着陆器就会拍下月球车上的国旗标志,再传回地面。

玉兔号月球车的设计寿命为三个月。任务结束后,嫦娥三号(包括着陆器和月球车)将停留在月球,不再回到地球。

降落过程

1、首先嫦娥三号在接近月球后要进行减速,通过嫦娥三号底部的主发动机,通过反作用力减速,使嫦娥三号被月球引力捕获,进入距月面100公里高的圆轨道。

2、嫦娥三号在100公里高的圆轨道运行数圈后,再次减速,进入100公里×15公里的椭圆形轨道。

3、嫦娥三号在15公里高度近月点再次减速,然后,嫦娥三号将沿着一条抛物线向月面落下去。

4、在嫦娥三号距离月面2000米高度时,嫦娥三号会将姿态调整为垂直、底部朝下,主发动机保持工作,以“悬停”姿态向月面缓缓降落。

5、嫦娥三号通过监视相机,在着陆过程中识别月面岩石、陨石坑等障碍,自动的平移至平坦区域降落。

6、在嫦娥三号降至距月面4米高度时,主发动机关机,嫦娥三号以自由落体方式降落到月面上。

虹湾着陆点及坐标

嫦娥三号着陆区及坐标

图:嫦娥三号着陆区及着陆点坐标

工程目标

一、突破月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术,提升航天技术水平。

二、研制月面软着陆探测器和巡视探测器,建立地面深空站,获得包括运载火箭、月球探测器、发射场、深空测控站、地面应用等在内的功能模块,具备月面软着陆探测的基本能力。

三、建立月球探测航天工程基本体系,形成重大项目实施的科学有效的工程方法。

科学任务

一、月表形貌与地质构造调查。

二、月表物质成分和可利用资源调查。

三、地球等离子体层探测和月基光学天文观测。

技术突破

着陆减速

月球表面无大气,因此,嫦娥三号无法利用气动减速的方法着陆,只能靠自身推进系统减小约1.7公里每秒的速度,在此过程中探测器还要进行姿态的精确调整,不断减速以便在预定区域安全着陆。为了保证着陆过程可控,研制团队经过反复论证,提出“变推力推进系统”的设计方案,研制出推力可调的7500N变推力发动机,经过多次点火试车和相关试验验证,破解着陆减速的难题。

7500N发动机主要技术指标

真空推力:8250N至1200N

真空比冲:3028Ns/kg(309S)

混合比:1.65%±2%

起动次数:大于30次

工作时间:累计工作时间大于4000S,单次最长工作时间:大于2000S

起动和关机响应:<400ms和<200ms

外形尺寸:830mm*1460mm

结构质量:39kg

GNC系统

中国空间技术研究院着陆器GNC(制导导航与控制)系统主任设计师介绍,探测器动力下降过程是一个时间较短、速度变化很大的过程,无法依靠地面实时控制。对此,GNC系统设计了专门的敏感器,进行对月测速、测距和地形识别,确保探测器在着陆段自主制导、导航与控制。

所用设备:自主导航的惯性测量单元(IMU)、激光测距敏感器、微波测距敏感器、微波测速敏感器、光学成像敏感器、激光三维成像敏感器、图像数据处理计算机、水平机动推力器。

避障程序:接近段,悬停段、避障段、缓速下降段。

结论:着陆器自主避障精度优于1.5m。

着陆缓冲

研制团队充分考虑了月壤物理力学特性对着陆冲击、稳定性的影响以及月尘的理化特性等,采用特殊的材料、设计和工艺,研制出全新的着陆缓冲系统,解决上述难题,确保探测器实施软着陆过程中,在一定姿态范围内不翻倒、不陷落,并为探测器工作提供牢固的支撑。

月面生存

月球表面光照条件变化大,昼夜温差超过300℃,白昼时温度高达150℃,黑夜时温度急剧下降到-180℃。在长达地球14天的昼、夜里,探测器面临着月昼高温下的热排散问题和月夜没有太阳能可利用情况下如何保证温度环境的问题。为了能够应付极端温度条件下的恶劣环境,嫦娥三号采用了全球首创的热控两相流体回路以及此前从未在星上用过的可变热导热管,攻克月面生存的难题。

五大系统

探测器系统

探测器系统由中国航天科技集团公司负责,主要任务是研制嫦娥三号月球探测器。嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器两器组成。着陆月面后,在测控系统和地面应用系统支持下,探测器携带的有效载荷开展科学探测。

运载火箭系统

运载火箭系统的主要任务是研制长征三号乙改进型运载火箭,在西昌卫星发射中心,将嫦娥三号探测器直接发射至近地点高度200公里、远地点高度约38万公里的地月转移轨道。

编号:长征三号乙增强型遥23号

级数:三级

助推器:4个

高度:54.8米

直径:3.25米

起飞重量:459吨

有效载荷:3780公斤(地月转移轨道)

可靠性:0.942

发射场系统

西昌卫星发射中心承担嫦娥三号发射任务。发射场系统通过适应性改造,具备长征三号乙改进型火箭的测试发射能力。

测控系统

测控系统的主要任务是运载火箭、探测器在各飞行阶段及探测器在月面工作阶段的测控、轨道测量与确定、月面目标定位以及落月后着陆器和月面巡视器的控制。该系统主要由运载火箭测控网,S频段航天测控网、深空测控网、甚长基线干涉VLBI测轨分系统和国际联网测控站组成。测控系统新建喀什35m、佳木斯66m深空测控站及遥操作系统,首次主用X频段对探测器进行测控。

嫦娥三号地月转移轨道

2013年12月2日01:49:00

半长轴:191038km

偏心率:0.965512

倾角:28.5deg

升交点赤经:335.289deg

近地点幅角:146.92deg

真近点角:17.6508deg

地面应用系统

地面应用系统的主要任务是:根据科学探测任务,研究提出有效载荷配置需求;制定科学探测计划和有效载荷运行计划,监视着陆器和巡视器有效载荷的运行状态,编制有效载荷控制指令和注入数据,完成有效载荷运行管理;使用北京密云50m和云南昆明40m口径两个地面站并行工作,同时接收着陆器和巡视器的下行探测数据,进行本地储存和备份;对科学探测数据进行处理、解译,组织开展科学应用研究;受探月与航天工程中心委托,管理科学探测数据并按规定分发数据产品。

美国月球探测器拍到嫦娥三号

尽管此次探月任务没有跟美国航空航天局(NASA)展开任何形式的合作,但NASA将此事件视作“对月球稀薄大气开展研究和观测”的绝好契机,并用目前在月球轨道上的4颗卫星对嫦娥三号着陆期间产生的尘埃进行探测。

美国LRO探测器拍摄到的嫦娥三号着陆器和月球车

图:美国LRO探测器拍摄到的嫦娥三号着陆器和月球车

NASA的LRO探测器对嫦娥3号登月点进行多次高分辨率成像观测,俯拍到正在月面上工作的嫦娥3号及玉兔号月球车的画面。在嫦娥三号的着陆日期,LRO飞船将进行多达8次机动动作,使用莱曼成像设备(LAMP)对嫦娥三号的着陆位置进行扫描成像。图中大箭头所指的就是嫦娥三号月球探测器,小箭头所指为“玉兔”号月球车。

LRO探测器相机所俯拍的嫦娥三号与嫦娥三号探测器拍摄的月面地形对比

图:LRO探测器相机所俯拍的嫦娥三号与嫦娥三号探测器拍摄的月面地形对比

由于月球自身的自转,此后每月都将会有一次机会让嫦娥三号和玉兔处于LRO轨道位置的正下方,从而被LRO的相机摄入镜头。如此重复开展的观测成像将让科学家们可以观察到由于嫦娥三号飞船的着陆以及玉兔号月球车的活动而在月面上造成的变化。上图为LRO探测器相机所俯拍的嫦娥三号与嫦娥三号探测器拍摄的月面地形对比,可以看到两个月面坑洼的位置是一致的。

国外关注

正面

《日本经济新闻》在报道中指出,中国“嫦娥3号”成功登陆月球,使得中国成为拥有登月技术的第三个国家,中国从此与美国和俄罗斯一起成为世界三大登月国家。“嫦娥3号”登月成功与载人宇宙飞行的顺利实施,是中国成为宇宙大国的最好证明。

日本《读卖新闻》在报道中指出,“嫦娥3号”的登月成功,使得中国成为与美俄一样的“宇宙大国”迈出了重大一步。“玉兔号”探测车今后将用3个月的时间对月球的地质构造和资源分布情况进行调查。“嫦娥3号”还将使用天体望远镜,实现世界第一次从月球观察地球。

日本《每日新闻》则报道称,“嫦娥3号”的登月成功,对中国新一届政府来说,是发扬国威,确立与美国等同等“宇宙大国”地位的好机会。

“美国之音”报道评论称,虽然“嫦娥三号”着陆引发了世界对于未来月球资源开发的争论,但科学家们普遍认为,此次中国开启了人类太空探索的新篇章。

英国《金融时报》评论称,虽然尚不清楚月球表面下有什么样的资源,以及是否是地球上十分稀有的,但中国将月球看成未来资源,这已成为一个公开的秘密。

法国《费加罗报》文章称,尽管一些欧美专家仍在挑剔“玉兔”和“嫦娥”存在的不足之处,但在公众眼中,中国已在本轮登月竞赛中占得了先机。

美国全国广播公司(NBC)报道称,从休眠中被唤醒的“玉兔”已开始对月壤进行科学分析,这是1976年苏联“月球24号”后,在月球表面进行类似操作的第一个科学探测机器人。

美国NASA顾问委员会委员约翰·劳斯顿表达对“玉兔”苏醒的祝贺。希望“玉兔”接下来一切顺利,完成预期任务。

俄罗斯总统普京在莫斯科召开了一年一度的大型记者招待会上,对中国成功发射月球探测器和月球车表示了祝贺。他说:“我衷心祝贺中国人民和专家实现了探测器和第一个月球车在月球表面的成功着陆。俄罗斯以及全世界都期待着这一试验的成果。这充分说明了中国在科技方面取得的巨大成就。未来双方将在这方面继续互相支持。”

德国媒体称,这是中国在雄心勃勃的太空计划中迈出的又一步。

负面

美国《每日秀》节目主播约翰·斯图尔特在节目中嘲笑比美国晚登月数十年的中国“玉兔”这么快就“死”在月球上。

日本律师作花知志公开撰文,指责中国“玉兔”赴月是为掠夺属于全人类的宇宙资源,并呼吁国际社会就此立法保护人类共同财产。

美国航空航天局专家认为,“嫦娥三号”飞船所燃烧的火箭推进剂将会污染月球外层大气,严重影响LADEE探测器科学使命的完成效果和实验结果。 

嫦娥三号探测器
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最新更新:2015-08-07 11:05
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