“嫦娥”與“玉兔”的登月故事
——中國探月工程三期回眸

袁和平/文

回眸歷史，人們不曾忘記，2013 年12 月14 日登月的“嫦娥三號”著陸器和“玉兔號”月球車，她們是中國第一個月球軟著陸無人登月探測器。也是繼40年前阿波羅月球探測計劃”(Apollo)（美國從1961 年到1972年組織實施的一系列載人登月飛行任務）和“月球號”(Luna)（蘇聯第一個月球探測計劃中所使用的空間探測器的名稱）系列探測器以后多年，21 世紀首次著陸在月球表面的探測器。

歷史是這樣記錄的：“嫦娥三號”著陸器和月面巡視器（“玉兔號”月球車）在月球上安全度過首個月夜，標志中國圓滿完成探月二期工程。

從那一刻開始，“玉兔號”月球車似乎就成為牽動國人砰然心動的“寵物”。航天專家葉培建評價，“嫦娥三號”在月球軌道安全降落，精準、漂亮；實現自主避障，創造了中國航天落月 “第一次”的紀錄。特別是我們能從地球上發出指令，把中國巡視器“玉兔號”月球車安全地從著陸器上分離，并在月球上行走，成功突破探測器月夜生存技術；此外，能夠在極端環境下生存下來的“嫦娥三號”科學載荷，獲取了很多新成果。“由此，中國對月球環境有了比過去更加清楚的認識。”葉培建說。

“嫦娥三號著陸器于2014 年2 月18 日成功自主喚醒，進入第28 個月晝日，工作正常。”自2013 年12 月14 日“嫦娥三號”實現月面軟著陸以來，“嫦娥三號”探測器經歷了27 個月夜日的極低溫度考驗。“嫦娥三號”的科學目標和工程目標均已圓滿實現。

設計壽命1 年的“嫦娥三號”著陸器目前已在月面運行管理797 天，超期服役14 個月。月基天文望遠鏡等有效載荷及工程參數測量設備工作正常。“嫦娥三號”任務獲取的大量工程數據和科學數據，為今后月球探測和科學研究打下了堅實基礎，其科學探測數據也已陸續向全球開放共享。

隨著探月二期的落幕，原本打算用作“嫦娥三號”備份星的“嫦娥四號”將發揮什么作用呢？

“嫦娥四號著陸器和巡視器將在月球背面軟著陸，開展就位和巡視探測。”中國探月工程總設計師吳偉仁2016 年1 月14 日在月球探測載荷創意設計征集活動新聞發布會上說。

“我國已具備開展月球背面探測的科學和技術基礎，與其他航天大國和空間組織的相關探測項目尚在論證階段。‘嫦娥四號’任務的實施，必將有助于我國在月球探測領域實現由追隨到引領的跨越。”

“嫦娥四號”繼承了“嫦娥三號”的基本架構，但科學載荷卻發生了很大變化，特別是她開展的對月球背面的地質探測等任務是極富創新性的使命。因為，月球正面和背面的電磁環境非常不同，月球背面電磁環境非常干凈，是天文學家夢寐以求開展低頻射電研究的場所，如果能在月球背面放一個低頻射電的頻譜儀，必將填補國際空白。吳偉仁對此充滿信心。

“嫦娥三號”成功發射

隨后的歷史證明，“嫦娥四號”的成功落月，實現了三大“壯舉”：首次實現人類探測器造訪月球背面；首次實現人類航天器在地月L2點對地月中繼通信；為科學工作者提供月球背面空間科學研究平臺，獲得一批重大的原創性科學研究成果。“嫦娥四號”的成功譜寫了世界上第一個在月球背面軟著陸探測器的歷史新篇章。

“嫦娥四號”的發射和落月成功，特別是她造訪月球背面，已經給中國的科研事業帶來許多新機遇。犖其大端，主要有三：

首先，解決了月球背面如何與地球直接進行通信的世界性難題。與“嫦娥四號”任務緊密相連的“鵲橋”中繼衛星在地月L2 拉格朗日點，為“嫦娥四號”與地面提供通信中繼服務，解決了這個難題。

其次，讓地球人首次真實地看見了月球背面。由于月球背面始終背對地球，因此，地球上始終不能完全看見月球背面。“嫦娥四號”之前，美國、蘇聯、中國的月球著陸探測器也都是在地球能看見的月球正面軟著陸，人類對于月球背面的了解程度遠不及月球正面。在人類歷史的大部分時間里，月球背面完全就是一個謎。因此，“嫦娥四號”成功的在月球背面軟著陸，對于月球研究和中國航天來說，具有重要的意義。

其三，利用月球背面屏蔽地球無線電干擾的獨特條件，“嫦娥四號”開展了空間科學領域最前沿的低頻射電天文觀測，填補國際空白。利用月球背面保存的最古老月殼巖石的獨特條件開展地質特征調查，有望在國際上首次建立集地形地貌、淺層結構、物質成分于一體的綜合地質剖面和演化模型，獲得對月球早期演化歷史的新認知。

此外，“嫦娥四號”還是一位國際合作、公眾參與的“中國月球使者”。在選擇中繼星的整星方案和研制定點單位時，探月中心就邀請了高校、科研院所、企業等多方面單位參與競爭擇優。這在深空探測領域尚屬首次，邁出了中國航天面向社會開放的堅實一步。而且，“嫦娥四號”也是國際合作的踐行者。因為早在2015 年初，中國就向國際社會發布了科學載荷合作意向書，與近十個有參與意向的國家或航天組織取得了聯系，為此，“嫦娥四號”上也搭載了多臺國際載荷。

“嫦娥四號”成功著陸在月球背面南極

隨著探月二期的落幕，探月三期也在有序展開。只是由于長征五號運載火箭第二發飛行試驗失敗而延宕至今。但“嫦娥”與“玉兔”，甚至包括“吳剛”的故事依然還在延續。

讓我們把追溯的目光放回到2014 年10 月。正是在“嫦娥三號”奔月、落月的歷程中，探月工程中心就圍繞探月三期組織了在國際航天界認為是技術難度最高的“再入返回飛行試驗”。業內人士把它昵稱為“小飛”。這個“小飛”實際就是 “嫦娥五號”月球探測器的試驗器、探路者。

2014 年11 月1 日，試驗以一次接近完美的著陸宣告成功，標志著我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。北京時間2015 年1 月11 日凌晨3 時許，在北京航天飛行控制中心科技人員精確控制下，我國探月工程三期再入返回飛行試驗器服務艙成功實施近月制動，進入遠月點高度約5300 千米、近月點高度約200 千米、飛行周期約8 小時的環月軌道，繼續為“嫦娥五號”任務開展在軌驗證試驗。截至目前，服務艙能源平衡，狀態良好，地面測控捕獲及時、跟蹤穩定，飛行控制和數據接收正常，后續各項拓展試驗工作正順利有序展開。

據“嫦娥五號”總設計師胡浩介紹，“中國探月三期工程再入返回試驗”圓滿成功，驗證了“嫦娥五號”從月球采樣后的“回家之路”——從地球軌道以第二宇宙速度，在大氣層上“打個水漂”實現降速，返回地球。

這個極高的再入大氣層速度，帶來一系列前所未有的特殊挑戰。時任探月工程三期副總設計師裴照宇說，返回器從100 多千米高度進入大氣層時，這個高度的大氣非常稀薄，已經不是連續的氣流，而是分子氣層，會產生一系列特殊的氣體效應。此外在大氣層中超高速飛行會對返回器產生燒蝕，其程度也比以往要高得多。

“‘小飛’表現出色。它的服務艙和返回器在距離地球約5000千米的地方分離以后，返回器返回地球。服務艙繞地球抬升返回月球，為“嫦娥五號”任務順利實施及未來其他一些深空探測項目‘打前站’。”胡浩說。

歷史是這樣記載的。2014 年11 月1 日5 時53 分，飛行試驗器服務艙與返回器在距地面高約5000 千米處正常分離，最關鍵的“太空打水漂”開始。

這次試驗的最大難點所在是控制精度“準”。在距離38 萬千米的地月空間里，飛行軌道精度必須控制在厘米級別，不然幾小時后積累的誤差就足以發散到讓任務失敗的地步。有航天專家指出，對精度的要求可形容為“在1000 千米外命中一個一分硬幣大小的東西”。“假如中國所有衛星和洲際導彈都加裝這兩個系統，就意味著我們的衛星可以靈活躲避任何攻擊，洲際導彈可以突破任何攔截”。實際上它就是把地球作為“靶標”，完成了數十萬千米外的一次交會。由于返回器的速度極快，而且再入大氣層時會因為進入黑障區暫時中斷通信，無法依靠地面引導，因此整個返回過程只能由返回器自主完成導航和軌道調整。

“玉兔號”月球車

著陸位置選擇了相對年輕的熔巖流形成地區

讓返回器自主完成導航和軌道調整，是中國航天界的重大技術突破。在此過程中，負責返回器軌道控制的“制導、導航與控制系統(CNC) ”技術完全由中國自主開發，它成功經受住實戰檢驗。“由于受太陽風、溫度等因素影響，高空天氣條件難以預測，返回器進入大氣層時可能遭遇各種情況。我們對此進行了上百萬次模擬試驗，確保返回器返回時無論遭遇哪種情況，都能找到預定方案進行軌道和姿態調整。”

“小飛”先后完成了遠地點54 萬千米、近地點600 千米大橢圓軌道拓展試驗和環繞地月L2 點探測、返回月球、“嫦娥五號”調相機動模擬試驗、兩器月球軌道交會對接飛控過程模擬等任務。“返回器完美返回地球，服務艙繼續展開拓展試驗。試驗任務圓滿完成，標志著中國探月工程結束‘單程時代’！”

“2015 年9 月，‘小飛’對嫦娥五號預定采樣區進行遙感成像，獲得了分辨率1 米左右的優質影像圖，為“嫦娥五號”任務月面軟著陸和采樣區域的選擇提供了依據。”胡浩說。

正是由于這次“月地再入返回飛行試驗”的成功，經探月工程重大專項領導小組會議審議，“嫦娥五號”任務正式由初樣研制轉入正樣研制階段，原預計于2017 年前后完成研制并擇機發射(“嫦娥三號”和“嫦娥五號”分別肩負著我國探月工程二期“落月”和三期“采樣返回”的主任務)。

據胡浩介紹，肩負探月工程三期“采樣返回”的“嫦娥五號”于2011 年正式立項，自2013 年轉入初樣研制階段以來，研制隊伍團結協作，攻克眾多關鍵技術，工程進展情況總體良好，各項研制工作穩步推進。其中，2015 年按計劃完成了初樣設計和產品研制，通過技術攻關、地面試驗、系統間試驗、專題研究和全過程任務鏈路分析等，驗證了初樣設計、工藝方案和地面設備，按計劃完成了各系統初樣轉正樣研制階段評審和轉正樣階段評審。

探月工程三期發射場合練工作在2015 年12 月已圓滿完成。航天專家指出，這是新火箭、新探測器、新發射場、新隊伍的第一次見面，全面考核了工程大系統間的接口匹配性以及火箭設計、發射流程等環節的正確性，進一步驗證了“嫦娥五號”探測器系統、運載火箭系統初樣研制狀態滿足任務要求，將為如期實現探月工程第三步目標奠定了基礎。

2015 年5 月11 日，有關方面發布消息，中國航天科技集團公司五院508 所圓滿完成了探月工程三期著陸穩定試驗第一階段的試驗。試驗全面驗證了8 種狀態、18 個工況下模型的著陸初始參數、著陸面地形地貌和著陸面力學參數對“嫦娥五號”探測器著陸穩定性的影響。

為了真實地模擬“嫦娥五號”軟著陸過程中的姿態和穩定特性，508 所研制的1/6g 重力模擬斜面不僅可以模擬月球表面月石等各種障礙物和不同著陸表面的摩擦系數，還要能承受住近2 噸重模型的著陸撞擊，對斜面的模擬月表幾何特性、剛度和彈性模量以及表面摩擦指標有嚴格要求。此外，該試驗基于雙線擺原理設計的空間復雜繩系懸掛系統，實現了模型在空中及釋放過程中高精度的姿態要求。

第一階段的試驗系統地考察了組合體著陸時的著陸姿態、著陸速度、著陸面地形和著陸面摩擦系數對著陸穩定性的影響，同時也驗證典型極限著陸工況下的著陸穩定性，試驗數據可為“嫦娥五號”探測器的著陸穩定性分析提供設計參考。

國家國防科工局局長張克儉說：“探月三期是我國航天領域迄今難度最大、最復雜的工程，要實現月面采樣返回，全面完成探月工程繞月、落月、返回地球的總目標。”

難以忘懷那烈焰騰躍、托舉著重載荷衛星毅然奔向太空的壯麗畫面！

2019 年12 月27 日20 時45 分，長征五號遙三運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空，約 2220 秒后，將實踐二十號衛星準確送入近地點 192 千米、遠地點 6.8 萬千米的預定軌道，發射飛行試驗取得圓滿成功。

此次發射飛行試驗主要考核長征五號火箭總體方案、各分系統方案的正確性、協調性，對后續航天任務的相關關鍵技術進行驗證。這是長征系列運載火箭第 323 次發射。

長征五號運載火箭是我國運載火箭升級換代的工程，作為我國首型大推力無毒無污染液體火箭，創新難點多，技術跨度大，復雜程度高。火箭采用全新5米芯級直徑箭體結構，捆綁4 個3.35 米直徑助推器，總長57 米，起飛重量約870 噸，近地軌道運載能力25 噸級，地球同步轉移軌道14 噸級，地月轉移軌道運載能力8 噸級，整體性能和總體技術達到國際先進水平。

本次任務的圓滿成功，意味著我國具備發射更重的航天器，或將航天器送向更遠的深空的能力，是實現未來探月工程三期、首次火星探測、載人航天等國家重大科技專項和重大工程的重要基礎和前提保障。

回首長征五號的“王者歸來”之路，從任務失利到重整旗鼓，從問題歸零到扎實準備，從屢克難關到圓滿完成任務，無一不是艱難時刻。從這短暫而又漫長的908 天里，人們看到的是中國航天人用勝利做出的響亮回答，她彰顯了一種逆境中奮起、愈挫愈勇、精益求精、大力協同的擔當精神。

長征五號遙三運載火箭的成功發射，展示出堅韌不拔的攻關精神。作為我國運載火箭升級換代型號，長征五號工程技術跨度、攻關難度以及任務實施規模在我國運載火箭研制史上都是空前的。

國家國防科工局局長張克儉坦言，908 天的堅守，體現的是中國航天人科學、嚴謹、專業的工作作風。這是一條異常艱難曲折的道路，研制團隊負重前行，以實事求是、精益求精的態度，直面問題、發現問題、解決問題，實現了200 多項關鍵技術突破，開展了1.5 萬余秒關鍵技術試驗和2 萬多次地面試驗，還采取了一系列改進優化措施，切實提升了火箭飛行任務可靠性。

“小飛”返回艙成功回收

在紀念東方紅一號衛星成功發射五十周年的喜慶日子里，人們不禁由衷地發出感慨：

長征五號遙三運載火箭的成功發射，得益于動力同心的強大合力。尤其是國防科工局充分考慮整體工作界面，精心組織，統籌協調工程總體單位，火箭系統、衛星系統、發射系統、測控系統單位和各職能部門，聚焦保成功，強化軍地、央地聯動，匯聚優秀力量，堅持協同創新，傾神致力做好發射每一項準備工作，成為航天領域探索建立新型舉國體制的又一生動實踐。

歷史正昭示未來。我們堅信，經過60 余載的不懈努力，航天戰線以“十年磨一箭”的工匠精神，突破了一大批具有自主知識產權的關鍵核心技術，解決了研制中的一個個難題，不僅形成了嚴慎細實的專業態度，而且鑄就了國防科技人不畏艱難、不懼風險，敢于面對重重困難，敢于正視失利考驗的責任擔當。隨著“胖五”實現華麗涅槃，以及由此而為中國航天打下的堅實基礎，在“嫦娥五號”任務圓滿完成后，中國探月工程三期迎來完美收官。