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嫦娥工程二、三期研究展望
（2007年12月18日 15:24:45）
来源：《中国航天》 2007年第11期
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□作者: 紫 晓
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5 嫦娥工程二期将突破哪些关键技术?
我国嫦娥工程二期是一期工程的深化和突破，对于这一新的领域，需要突破的环节很多，核心是能力建设。在继承一期工程取得的技术成果的基础上，根据二期工程的科学目标，专家建议。需要突破的关键技术主要有：
(1)探测器系统总体方案设计技术
我国月球探测二期工程的探测器相对于以往的卫星、飞船等是完全新型的航天器，与嫦娥1号相比，其设计思路也将有很大的不同。核心任务是实现探测设备登上月球，并进行科学探测。其主要工程技术目标是突破月球软着陆、月球车及其它相关技术，研制和发射月球软着陆探测器和月球车，建立月球探测航天工程基本系统。月球软着陆探测与以往的地球轨道返回着陆有着本质的不同和很大的技术难点。专家设想，我国的月球软着陆探测将由着陆器和探测器两部分，或者再加上轨道器三个部分组成，相互配合完成探测任务。同时，探测器系统承载的科学仪器种类繁多，工作模式需相互切换。对探测器系统的总体设计提出了新的要求；探测器系统经历运载火箭发射段和着陆冲击段两段力学环境和月面复杂的空间与地理条件，比以往的航天器面临更多的考验。探测器系统的组成、轨道设计与优化、总体构形设计、主要技术指标确定、各分系统技术要求与技术指标的匹配性分析等，都是必须解决的关键技术。
(2)月面巡视探测器(月球车)研制技术
月球车是一种能够在月球表面移动，完成探测、采样、运载等任务的月球探测器。利用月球车对月面进行就位探测，是我国月球探测二期工程的重头戏，月球车虽小，却五脏俱全，技术含量非常高。因此，需要突破月球车总体方案设计与优化、月球车移动技术、定位、路径规划与控制等大量的新技术。
(3)运载火箭发射技术
由于月球软着陆探测任务具有发射速度增量要求大、入轨精度要求高、发射窗口较小、发射轨道需随发射时间而改变等特点，因此，对运载火箭发射技术而言，面临着提高运载能力、人轨精度和发射适应性等关键技术问题。早日突破新型运载火箭关键技术，是我国月球探测工程顺利实施的重要保证。
(4)测控通信技术
在40多年的时间内，人类的视野借助航天技术已延伸到太阳系的所有行星及其部分卫星。深空探测器的跟踪测量技术、深空通信技术也随之不断发展。目前，美国、俄罗斯、日本、欧空局等国家和组织建有深空测控通信站，并开展了一系列卓有成效的深空探测活动。
深空测控通信系统是地面与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键可贵等一系列原因，使得深空测控通信实现起来更为困难，无论对星上设备还是对地面设备等都带来新的挑战。
专家认为，为完成软着陆探测任务，地面应建立相应的深空测控网。其中的大口径多频段高增益天线站技术、测控通信站的规模和布局、深空测控系统采用的频段、信号形式和调制方式、测量精度更高的同波束干涉技术、差分单向测距测量技术、实时性更强的高精度连接单元干涉技术、天基深空数据中继的组网技术、针对各种深空测控体制的不同测量数据类型的系统误差修正技术等都是需解决的关键技术。需组织开展技术攻关的深空测控通信关键技术主要包括：深空测控总体技术、深空测控体制研究、轨道测定与控制技术、深空测控设备及相关技术、天线组阵技术等。
(5)月球软着陆自主导航与控制技术
月球软着陆的工程不同于地球轨道航天器的气动返回。由于月面环境的不确定性和着陆轨迹的复杂性，需依靠探测器的制导、导航与控制系统实现基于敏感器的自主导航，并研究相应的算法实现着陆段的地形识别与避障，以保证着陆的精度与安全性。对月测速、测高及地形识别的敏感器是以往航天器上没有使用过的，同时，对作为控制系统执行机构的发动机与推力器也有更高的要求。需研究发动机延长寿命、提高比冲等问题。
(6)着陆器结构与缓冲机构技术
着陆缓冲机构是着陆安全的重要保证。需可靠吸收着陆冲击能量，并在一定的地形条件下，保证着陆器不反弹、不翻倒。由于着陆器携带大量燃料、服务设备及科学仪器，因此，专家认为，架式结构更适应我国月球探测二期工程的需求，而大型承力式桁架结构是我国以往航天器上没有采用过的，包括桁架的承力路径分析、材料的选取、接头杆件的设计等。缓冲方式的选择、缓冲材料的选取、缓冲系统各参数的选取与优化是必须解决的关键技术。
(7)月面探测的测控通信技术
在地面深空网建立的情况下，仍需对探测器上的测控通信系统进行进一步研究，包括研究高增益的编码技术，研制双频应答机，比较不同类型的天线的优劣等。同时，为解决着陆器和月面巡视器在月面上工作期间相互间的通信问题，需研究月面的电波传输特性、绕射特性，并探讨超视距通信的可行性。
(8)月面生存的热控技术
月夜的恶劣温度环境、没有太阳能可利用给热控带来了极大的挑战。同位素技术是解决探测器度过漫长月夜的必需手段，这种技术在我国航天器上是首次使用。要研究同位素系统的设计，研究热能的利用、相应的热控措施、试验验证、辐射防护等。同时，在月面复杂外热流环境下，需采用新型的热控技术才能保证顺利度过高温和低温环境，如热开关、相变材料等。
(9)小型化电子技术
月球探测器的高风险与高成本促使对探测器的重量与功耗必须有一个限制。探测器上的各种电子设备的轻小型化低功耗设计与研制是深空探测器必须攻克的关键技术。
(10)月面巡视探测技术
主要包括月面巡视探测器(月球车)移动技术和一体化驱动组件技术，环境感知、识别与建模及传感器数据处理技术。月面的定位、路径规划与控制技术和遥控操作技术等。
(11)月面工作机构研制技术
探测器上的工作机构需在月面1/6重力条件下工作，这是以往航天器所没有设计过的。为满足月夜月昼交替的需求，需实现机构的重复展开与复位。为支持科学仪器的工作，需研究相应的机械臂，并控制其完成预定的任务。
(12)仿真与地面试验验证技术
软着陆与巡视探测任务与典型的地球轨道航天器任务相比。具有较强的特殊性，所经历的环境条件更加复杂多变。在设计过程中，必须进行仿真与地面试验验证工作，达到总体方案比较、关键技术问题分析、技术途径验证等目的。
着陆过程的轨道设计与控制、着陆冲击载荷、着陆后探测器的热环境、光照环境、测控通信链路等必须通过地面数学仿真的手段进行验证。着陆过程为实时控制，变化因素多，控制难度大。为保证下降平稳和着陆安全，对制导、导航与控制系统和发动机提出了很高的要求。需要保证多台发动机及姿态发动机协调工作，工作方式为连续加脉冲工作方式，其工作过程需要地面验证。着陆的稳定性与冲击载荷是否满足要求，要求地面进行多种相应工作状况的组合验证。验证与优化着陆器缓冲系统的设计。
同时，巡视探测器的通过性、稳定性也需要在类似的月貌环境下进行地面验证，以确认其越过障碍的能力、规避障碍的能力、抗侧倾的能力、爬坡能力等技术指标得到满足。探测器在月面所经历的外热流环境也是必须在地面进行试验验证的关键项目。
(13)月面特殊环境及其与探测器的作用效应研究
月面环境包括地形地貌、机械物理特性、月壤的光学和热特性、辐射环境、月尘等方面，这些环境的具体特性及其对探测器的作用效应是航天器研制的基本条件和保证。目前缺乏第一手探测资料，需要开展深入的研究，从而为探测器的设计奠定基础。
我国嫦娥工程三期展望
我国嫦娥工程三期的内容是发射一颗月球软着陆器，进行首次月球样品自动取样并安全返回地球，在地球上对样品进行分析研究。
1 嫦娥工程三期的科学目标和工程目标展望
嫦娥工程三期将充分利用二期工程已建立的测控通信系统和着陆探测器平台。研制返回器来完成预定任务。它将发射由着陆器和返回器组成的探测器系统，在月面软着陆。探测器在月面安全着陆后，要利用各种科学仪器对着陆区做进一步的探测，采用机械臂完成采样任务，最后由返回器携带样品返回地面。顺利回收后，样品将送到专门的实验室中进行系统的分析研究。
三期工程的主要科学目标为：
进行着陆区的探测与研究：采集月球样品返回地面，对样品进行系统的岩石学、矿物学同位素月质和月球化学研究，结合月面物质成分的分析数据，深化月球和地月系统的起源和演化的研究；深化对地月系统起源与演化的认识。
三期工程的主要工程目标为：
发展新型月球巡视车：发展小型采样返回舱、月表钻岩机、月面采样器、机器臂等：在现场分析取样的基础上，采集样品返回地球；对着陆区进行考察，为载人登月探测、建立月球前哨站的选址提供数据。
2 月球样品自动采样返回的关键技术
三期工程的任务目标是采集月球样品并返回地球，用于开展进一步的科学研究。三期工程可充分借鉴二期工程的着陆技术，同时需要攻克下列关键技术。
(1)采样器的设计与控制
获取月壤的采样器需要具备研磨、钻取月壤和输送月壤的能力。在月球的特殊环境条件下，如何保证采样器的功能是必须解决的问题。
(2)月球至地球飞行技术
包括月面起飞技术。月地返回轨道的设计与制导、导航与控制技术，高速地球再入技术和回收技术等。
(3)高精度月球采样分析技术等。
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文章作者:紫 晓
责任编辑:skylook
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