嫦娥落月,即将在今晚9点多上演。由着陆器和“玉兔”号月球车组成的“嫦娥三号”预计将于今晚在月球虹湾区软着陆,这将是此次嫦娥三号任务最大的看点。明晚,月球车要和着陆器“说再见”,两器分离后,月球车将在月面进行为期3个月的科学勘测,着陆器则不会“挪窝”,在着陆区原地探测。

在整个落月过程中,嫦娥将经历与地球失去联系的黑色720秒,这段时间里,着陆器导航与控制系统的敏感器,将充当“大脑”,指挥着陆器平稳降落。

为何绕了8天才落月?

嫦娥三号于本月2日发射升空,于6日进入高度为100公里的环月圆轨道。对于已近在咫尺的月球,嫦娥三号为何还要绕飞8天后才着陆?据专家介绍,这主要由落月时间和区域决定。一方面,为能在高温到来前完成月球车与着陆器分离,嫦娥三号须在月球的上午着陆,这就限制决定它要多飞几天;另一方面,嫦娥三号此前并不在着陆区虹湾所在轨道面内,而要等到月球转至虹湾区时才降落。

落月全程12分钟

据悉,嫦娥三号将在近月点15公里处以抛物线轨迹下降,相对速度从每秒1.7公里逐渐降为零。过程经过主减速、快速调整、接近、悬停、避障和减速下降等阶段,实现在月球虹湾区的软着陆。整个过程大概需要12分钟。

具体来说,由于月球表面几乎没有大气层,不能利用降落伞降落,为了减缓嫦娥三号的降落速度,着陆器底部的发动机反推着陆器。当着陆器降落至距离月面100米高度时,悬停在空中,着陆器下方的降落相机充当眼睛的作用,着陆器根据其拍摄到的月面信息,再平移到平缓的区域,垂直下降,但仍然需要用发动机反推,降低下降的速度。

当着陆器降落到距离月表4米高度时,着陆器悬停在空中,关闭反推发动机,着陆器以初速度为0的自由落体方式降落,并将腿部支架扎进土层。

如果一切顺利,“嫦娥”所带的降落相机将记录中国航天器首次地外天体软着陆的精彩瞬间。

难关1

能否及时“刹车”

准确降落

好比在高速路上飞驰的汽车,速度慢了耽误时间,速度太快又不能及时刹车,错过了目的地,或者一头撞上去,都不能完成任务。能否在指定的月球虹湾区域准确落下,是嫦娥三号探测器实施软着陆首先面临的难题。

在嫦娥“三姑娘”之前,嫦娥一号和嫦娥二号两姐妹已解决了绕月飞行的技术问题。这一次,嫦娥“三姑娘”则要解决绕月成功后,能不能在指定区域落下来的问题。

在人类探测器软着陆月球的历史中,就有过没能“刹住车”的先例,比如美国1962年发射的徘徊者3号,从距月球36793千米处飞过,“刹车”失败。

所以,嫦娥三号的“刹车”时间是否合适、远近距离是否准确,都是此次任务的技术难点和关键。为此,北京飞控中心已做了充分的准备。

着陆是探月最难一环

难关2

下降过程嫦娥

完全自主

落月过程中,要实时测量探测器运动的速度、高度,随时调整,而且月面地形地貌很复杂,还要寻找安全的着陆区等,“这些工作都要在很短的时间内完成,而且完全靠探测器自主完成,所以自主导航控制是个难点。”嫦娥三号探测器系统总设计师孙泽洲说。

15公里开始的“动力下降”阶段,被业内人士形容为最惊心的环节,也称黑色720秒。嫦娥三号要完全依靠自主导航控制,完成降低高度、确定着陆点、实施软着陆等关键动作,人工干预的可能性几乎为零。“在这个时段内,测控都跟不上了,只能事先把程序设定好。”嫦娥三号探测器系统副总指挥谭梅表示。

着陆器GNC(制导导航与控制)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。

难关3

真空下降落能否顺利减速

月球上没有大气,这就决定了月面着陆与地球着陆方式完全不同,它是真空状态下的软着陆。

“没有大气也就意味着不能利用空气摩擦实现减速。嫦娥三号探测器要实现月面安全软着陆,传统火箭发动机和推进系统无法完成这一任务。因为在月球这一无大气天体表面进行的软着陆机动飞行中,传统发动机无法实现推力的变化。”孙泽洲说。

为此次任务新研制的7500牛变推力发动机,能够进行连续可调节变推力,进而对嫦娥三号实现精准控制,很好地解决了这一难题。但由于是首次研制和使用,7500牛变推力发动机最终的表现如何,还有待实践的考验。

难关4

落月点小环境未知风险大

嫦娥三号着陆地点,选在较为平坦的虹湾区域。但最终的落月点选择,仍存在一定难度。

“月球表面从宏观的方面来说相对还是比较平坦的,但小范围,比如50米×50米或者10米×10米的小环境,它的地形地貌是什么样子,我们不是很清楚,也不知道最终会降落到什么地方,这对我们而言是一个很大的考验。尽管采取了很多措施,但风险还是比较大,因为那里的月石、月坑很多,可能碰到石头,也可能碰到壕沟,这些情况都可能存在。”吴伟仁说。

难关5

着陆冲击力或让嫦娥跌倒

当探测器着陆在月面时,着陆器撞击月面会形成较大的冲击力,这可能造成探测器出现翻倒的情况。在美苏以往的月球探测器软着陆历史中,发生过“软着陆”变“硬着陆”的情况,比如苏联1965年发射的月球8号就是撞击了月面,软着陆失败。

另外,着陆器落在月球会激扬起月尘,月球尘埃如果附着于探测器表面,能引起光学系统灵敏度下降、机械结构卡死等故障。同时由于月球表面覆盖着一层松软且崎岖不平的月壤,这些都给着陆带来了困难。

对此,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。

据了解,着陆器底下四个金属腿型结构将起到缓冲作用。着陆器还设有缓冲拉伸杆,也是缓冲吸能部件,主要任务是吸收着陆时的冲击力。

探测器的着陆缓冲机构能否经受住考验,今晚将见分晓。