關于探月工程的規劃和貢獻

李靜文 賈 陽 / 文

“玉兔”二號巡視器走上月面

在第二次世界大戰期間，美國通過實施曼哈頓計劃，集中了以核科學為主的當時最頂尖的科學家，動員10萬多人，歷時3年，成功研制了原子彈，開創了集中優秀人才占領科技、軍事制高點的先河。二戰后的幾十年間，美國開展阿波羅計劃、星球大戰等重大高科技計劃。歐洲、日本等也實施了尤里卡計劃、伽利略計劃、超大規模集成電路計劃等，全球重大科技計劃呈現出從軍事領域向軍民兩用和民用領域發展的趨勢。這些重大科技計劃的實施，使美歐各國培養造就了大批經驗豐富的專業人才隊伍，形成了大量具有核心競爭力的研究成果和科技產品，進而帶動經濟社會發展，成為支撐綜合國力的堅強后盾。

新中國成立后，我國也實施了“兩彈一星”、載人航天、雜交水稻、南水北調、三峽工程等重大項目，取得了巨大成就，積累了豐富的經驗。進入新世紀后，在國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006-2020）中確定了大型飛機、載人航天與探月工程等16個重大專項，著力攻克信息、能源、環保、生物、航空航天等關鍵領域的核心技術，為我國突破經濟社會發展瓶頸問題提供支撐，嫦娥工程就是在這樣的背景下開始啟動的。

探月工程的總體規劃和原則

我國月球探測的發展戰略簡言之分為“探”“登”“駐”3個階段，又稱為“大三步”：第一步是“探”，即無人月球探測；第二步是“登”，即實現載人登月；第三步是“駐”，即建立有人短期駐守月球的基地，開發和利用月球的資源與環境，支持人類的持續發展。中國正在實施的探月工程是“大三步”中的第一步，在這一階段中又分為“繞”“落”“回”三步，分別指的是繞月遙感探測、月面軟著陸與巡視探測、采樣返回，簡稱“小三步”。

探月工程的科學目標可以概括為：獲取月球表面三維影像，分析月球表面的元素含量與分布，探測月壤特性，分析研究月球樣品，探測地月空間環境，工程目標可以概括為：突破月球探測相關技術，研制各種不同類型的月球探測器，建立月球探測航天工程系統。

月球探測工程是我國航天工程中的旗艦型項目，工程規劃遵循了如下原則穩步推進。首先，著眼需求，推動技術。瞄準當今世界空間科學探索的前沿和熱點問題，以獲得科學新發現和新知識為目標，充分發揮后發優勢，推動一批重大關鍵技術突破，又好又快地開展月球探測，帶動我國科學技術綜合實力進一步提升。

其次，有限目標，突出重點。針對月球探測科學需求廣、目標多，技術跨度大、風險高的特點，立足國情國力，適度控制任務規模，堅持有所為、有所不為，“集中力量辦大事”，選擇最有可能獲得原創性科學成果、最具有技術帶動性的任務目標，集中力量和資源，重點突破。

第三，注重繼承，強化創新。充分繼承航天工程的技術、管理成果，高可靠地開展探測活動，確保穩步實現總體目標；堅持科技創新，在月球探測核心領域，加大攻關力度，掌握具有自主知識產權的關鍵技術，努力取得原創性的科學成果。

最后，整體規劃，分步實施。綜合考慮2020年前科學探索的需求與技術能力，統籌技術和經濟可行性，注重任務間技術發展的銜接和核心技術的共用，系統安排；遵循客觀規律，由易到難，分步實施，降低工程實施風險，確保持續發展。

嫦娥四號著陸器拍攝的月球背面圖像

在規劃實施過程中，貫徹復雜工程系統觀，既要實現工程的整體目標，又在實施過程中分層次、分階段有序推進。在任務安排上始終把握技術發展的節奏，既注重尋求突破與創新，又充分考慮繼承與銜接，確?？蓪崿F，工程中具體任務安排具有以下特點：第一，有限投入，實現跨越。工程三個步驟之間的技術跨越較大，力爭利用較少的資源，在較短時間內實現技術的較大跨越，走具有中國特色的月球探測之路，并為行星際探測奠定基礎。第二，工程備份，穩妥可靠。每期工程均以前期技術進步為基礎，而且每期工程中，考慮到航天工程的高風險，均安排了2次發射任務，形成工程備份。嫦娥一號的備份后來作為二期工程的先導，對嫦娥三號預選的虹灣著陸區進行了詳細勘察。嫦娥三號的備份更是在中繼星的配合下實現了人類首次月背軟著陸及巡視勘察，得到了廣泛好評。第三，任務拓展，擴大成果。每次發射任務主目標完成后，均根據探測器的狀態，考慮可能的拓展任務，擴大探測成果。嫦娥二號獲得了分辨率優于10米月球表面三維影像、月球物質成分分布圖等資料后開展拓展試驗，進入日地拉格朗日L2點環繞軌道進行深空探測等試驗，飛越小行星4179(圖塔蒂斯)。第四，工程銜接，承上啟下。每期工程在第一次發射圓滿成功的情況下，第二次發射并不是簡單重復進行，而是力爭做到承上啟下，在進一步深化工程目標實現的同時，盡可能開展新技術驗證，為后續工程服務。例如，“嫦娥二號”在深化環繞探測任務的同時，還肩負著“嫦娥三號”著陸區詳查的任務。當技術跨越過大時，還可以安排專門的技術驗證任務作為過渡，例如，嫦娥5T任務對月地再入返回技術進行了驗證。

通過上述安排，我國的月球探測工程做到了“起步晚，起點高”“投入少，產出大”?，F已圓滿實現了探月工程一期“繞”和二期“落”的目標，三期“回”計劃在2019年完成。

工程遇到的約束與完成的創新突破

月球探測任務的特點包括：工作環境惡劣、工作模式復雜、技術跨度巨大、資源約束嚴格、地面驗證困難。圍繞任務的特點，工程總體組織全系統在技術和管理方面開展了大量具體、細致的工作，工程研制按照計劃順利開展。

探測器設計的本質是一個強約束下的目標優化問題?？傮w優化根據任務需求做出方案選擇，立足系統分析，優化總體方案、技術路線和發展步驟，力爭整體最優地確立和實現具有可達性和可靠性的目標。在探測器設計過程中，采用系統設計優化的方法，分成系統層和單機層兩個層次來開展。在系統層，梳理各分系統及其組成部分的功能和性能需求，采用功能復用、功能集成和布局優化等方法完成系統方案的設計優化。在單機層，分析影響單機設備或部組件優化目標的關鍵參數，采用結構優化、單機優化和電纜優化的方法完成單機方案的優化設計。這些設計思想、設計工具、設計方法的發展促進了航天器的總體設計水平的提高。

研制工作中團隊克服了重重困難，比如設計的先進性與可實現性。系統設計的先進性推動了新產品、新器件、新材料、新工藝的應用和發展，通過變推力發動機、高集成的機構控制專用器件、鋁鎂合金機箱、熱等靜壓工藝的完善和使用，解決了工程設計的難題。

探月工程任務的復雜性，決定了探測器設計難度大、功能復雜，受到運載火箭的發射能力限制，系統的重量資源十分緊張。在系統集成設計方面進行了大膽的嘗試，通過電子設備的集成設計將系統配電管理、機構控制、溫度控制、火工品管理、自主管理、遙測遙控、數據復接等功能集成到數據管理分系統和綜合電子分系統實現，降低了系統資源需求。

惡劣的月球表面工作環境，也給系統可靠性工作帶來了巨大的挑戰，更由于資源緊張，不能采用簡單的冗余備份方式，為此通過桅桿的功能復用、導航相機和全景相機的異構備份、器地和器間測控數傳信道的異構備份等優化設計方案，大大地簡化了硬件配置，在保證系統可靠性的同時，降低資源開銷。

月球探測涉及月塵、低重力、月表紅外輻射、高低溫等特殊環境，其地面模擬十分復雜，全面模擬實現代價過高，有時甚至不可實現。在系統試驗策劃過程中，本著分析、仿真、試驗驗證相結合的技術路線，采用環境效應模擬方法，將復雜的環境分解，發展地面環境模擬方法與技術，實現了探測器設計的充分驗證。

探月工程與社會發展之間的豐富聯系

從其他國家的發展歷程看，深空探測從來就不僅僅是單純的科學或技術活動，被賦予了更多的含義。從科學角度看，它研究的是宇宙和生命起源這一類最根本也是最前沿的問題；從技術進步角度看，它能夠引領發展尖端的技術；從人才角度看，它能夠吸引、培養和鍛煉一大批相關領域的頂尖人才；從經濟角度看，它需要非常雄厚的經濟實力，并能夠創造新的經濟增長點；從政治角度看，它爭取的是未來的領先地位；從思想角度看，它代表的是人類追求更強能力、更遠到達、更廣視野、更深認識的理想。深空探測可對一個國家產生多方面、多維度、綜合性的影響，促進多個領域的進步，這正是開展深空探測活動的意義所在。

在我國，月球探測工程與社會發展之間也有著深刻的聯系。首先，國家實力的增強為月球探測工程提供了堅實的物質基礎。綜合國力的增強，使包括嫦娥工程在內的科技重大專項的實施成為可能，這其中既包括經費方面的保障，也包括基礎工業、技術能力等方面的提高，使復雜的設計可以轉化為現實的產品，還包括電子、計算機、材料等行業的發展，為工程關鍵技術攻關奠定了更好的技術基礎。

其次，推動航天技術發展，服務航天強國建設。在月球探測工程中發展的技術將直接應用于后續航天任務。例如：雙目立體視覺技術是玉兔號月球車識別地形障礙必須使用的技術手段，這些技術可以直接應用于機械臂避障檢測、非合作目標識別等技術領域；服務于減重發展起來的鋁鎂合金機箱更可廣泛應用于各類衛星、飛船，在滿足功能要求的同時，機箱重量可減少1/3；軟著陸使用的變推力發動機提高了航天器軌道控制能力。

嫦娥四號探測器軟著陸后相機拍攝的圖像

同時，工程的技術成果將產生長期的輻射效應。團隊攻關研制的新型高性能產品，科學探測取得的成果，帶動了自動控制、信息技術、微電子、新工藝、新材料等領域一批新技術及其產業化發展，促進了天文學等學科的發展及空間科學、空間技術的應用，實現了我國航天研發、制造、應用能力和水平的躍升，形成代表綜合國力的高技術群，推動了我國經濟與社會的持續進步，特別有益于當今時代背景下低能耗、低污染、高附加值的綠色增長。例如：立體視覺技術既可應用于家庭服務機器人，也可應用于野外無人作戰平臺；月球車路徑規劃技術可以應用于倉儲機器人等自動化工業平臺；流體回路技術可以應用于超大型計算機散熱；著陸腿中的高效輕質緩沖材料也有廣泛的應用前景。

嫦娥任務得到了社會廣泛關注，尤其是新媒體形式的介入，使社會公眾尤其是青少年對科技發展的關注程度有所提高。面對仍有大量貧困人口的情況下為什么還要探月這樣的疑問，通過充分討論也讓公眾更好地理解了國家的科技政策，為巡視器征名的活動更是吸引了眾多網友參加。玉兔在微博“賣萌”吸引了幾十萬粉絲的關注，這么多人關注一個探測器狀態的變化和安危，十分少見，甚至引起了關于公眾信息傳播方式的學術討論。無論是科學家還是老百姓，都在月球上找到了各自所好的寄托，滿足了多種社會需求。