嫦娥三號探測器

嫦娥三號探測器

嫦娥三號探測器(英文:Chang'e 3)是中華人民共和國嫦娥工程二期中的一個探測器,是中國第一個月球軟著陸的無人登月探測器。嫦娥三號探測器由月球軟著陸探測器(簡稱著陸器)和月面巡視探測器(簡稱巡視器,又稱玉兔號月球車,英文:Yutu,或Jade Rabbit)組成。

嫦娥三號探測器于2013年12月2日在中國西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭送入太空,當月14日成功軟著陸于月球雨海西北部,15日完成著陸器巡視器分離,並陸續開展了"觀天、看地、測月"的科學探測和其它預定任務,取得一定成果。 2013年12月16日,中國官方宣布嫦娥三號任務獲得成功。 嫦娥三號著陸器目前工作狀態良好;巡視器在第二次月夜休眠前出現異常不能行走,尚未恢復但依舊存活。

2014年12月14日21時14分,嫦娥三號登入月球已滿一周年,北京航天飛控中心也實現了精心護航嫦娥三號著陸器月面安全工作一年的預定工程目標。

2016年1月5日上午,國防科工局正式發布國際天文學聯合會批準的嫦娥三號探測器著陸點周邊區域命名為"廣寒宮",附近三個撞擊坑分別命名為"紫微"、"天市"、"太微" 。此次成功命名,是以中國元素命名的月球地理實體達到22個。

  • 中文名稱
    嫦娥三號探測器
  • 外文名稱
    Chang'e 3
  • 巡視器重量
    140公斤
  • 工程總指揮
    欒恩傑
  • 登月時間
    2013年12月14日21時11分
  • 發射時間
    2013年12月2日1時30分
  • 所屬國家
    中華人民共和國
  • 目前狀態
    工作中
  • 運載火箭
    長征三號乙增強型遙23號
  • 巡視器尺寸
    1.5米*1米*1.1米
  • 探測器總設計
    孫澤洲
  • 重    量
    3780公斤
  • 幹    重
    1220公斤
  • 工程總設計師
    吳偉仁

目標和任務

工程目標

一、突破月面軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與遙操作、深空探測運載火箭發射等關鍵技術,提升航天技術水準。

二、研製月面軟著陸探測器和巡視探測器,建立地面深空站,獲得包括運載火箭、月球探測器、發射場、深空測控站、地面套用等在內的功能模組,具備月面軟著陸探測的基本能力。

三、建立月球探測航天工程基本體系,形成重大項目實施的科學有效的工程方法。

科學任務

一、月表形貌與地質構造調查。

二、月表物質成分和可利用資源調查。

三、地球電漿層探測和月基光學天文觀測。

技術突破

著陸減速

月球表面無大氣,因此,嫦娥三號無法利用氣動減速的方法著陸,隻能靠自身推進系統減小約1.7公裏每秒的速度,在此過程中探測器還要進行姿態的精確調整,不斷減速以便在預定區域安全著陸。為了保證著陸過程可控,研製團隊經過反復論證,提出"變推力推進系統"的設計方案,研製出推力可調的7500N變推力發動機,經過多次點火試車和相關試驗驗證,破解著陸減速的難題。

7500N發動機主要技術指標

真空推力:8250N至1200N

真空比沖:3028N s/kg(309S)

混合比:1.65% ±2%

起動次數:大于30次

工作時間:累計工作時間大于4000S,單次最長工作時間:大于2000S

起動和關機回響:<400ms和<200ms

外形尺寸:830mm*1460mm

結構質量:39kg

GNC系統

中國空間技術研究院著陸器GNC(製導導航與控製)系統主任設計師介紹,探測器動力下降過程是一個時間較短、速度變化很大的過程,無法依靠地面即時控製。對此,GNC系統設計了專門的敏感器,進行對月測速、測距和地形識別,確保探測器在著陸段自主製導、導航與控製。

所用設備:自主導航的慣性測量單元(IMU)、雷射測距敏感器、微波測距敏感器、微波測速敏感器、光學成像敏感器、雷射三維成像敏感器、圖像資料處理電腦、水準機動推力器。

避障程式:接近段,懸停段、避障段、緩速下降段。

結論:著陸器自主避障精度優于1.5m。

著陸緩沖

研製團隊充分考慮了月壤物理力學特徵對著陸沖擊、穩定性的影響以及月塵的理化特徵等,採用特殊的材料、設計和工藝,研製出全新的著陸緩沖系統,解決上述難題,確保探測器實施軟著陸過程中,在一定姿態範圍內不翻倒、不陷落,並為探測器工作提供牢固的支撐。

月面生存

月球表面光照條件變化大,晝夜溫差超過300℃,白晝時溫度高達150℃,黑夜時溫度急劇下降到-180℃。在長達地球14天的晝、夜裏,探測器面臨著月晝高溫下的熱排散問題和月夜沒有太陽能可利用情況下如何保證溫度環境的問題。為了能夠應付極端溫度條件下的惡劣環境,嫦娥三號採用了全球首創的熱控兩相流體回路以及此前從未在星上用過的可變熱導熱管,攻克月面生存的難題。

五大系統

探測器系統

探測器系統由中國航天科技集團公司負責,主要任務是研製嫦娥三號 月球探測器。嫦娥三號探測器由著陸器和巡視器(俗稱月球車)兩器組成。著陸月面後,在測控系統和地面套用系統支持下,探測器攜帶的有效載荷開展科學探測。

探測器系統探測器系統

運載火箭系統

運載火箭系統的主要任務是研製長征三號乙改進型運載火箭, 在西昌衛星發射中心,將嫦娥三號探測器直接發射至近地點高度200公裏、遠地點高度約38萬公裏的地月轉移軌道。

長征三號乙運載火箭長征三號乙運載火箭

編號:長征三號乙增強型遙23號

級數:三級火箭

助推器:4個

高度:54.8米

直徑:3.25米

起飛重量:459噸

有效載荷:3780公斤(地月轉移軌道)

可靠性:0.942

總設計師:姜傑

發射場系統

西昌衛星發射中心承擔嫦娥三號發射任務。發射場系統通過 適應性改造,具備長征三號乙改進型火箭的測試發射能力。

西昌衛星發射中心西昌衛星發射中心

測控系統

測控系統的主要任務是運載火箭、探測器在各飛行階段及 探測器在月面工作階段的測控、軌道測量與確定、月面目標定位以及落月後著陸器和月面巡視器的控製。該系統主要由運載火箭測控網,S頻段航天測控網、深空測控網、甚長基線幹涉VLBI測軌分系統和國際聯網測控站組成。測控系統新增喀什35m、佳木斯66m深空測控站及遙作業系統,首次主用X頻段對探測器進行測控。

測控系統測控系統

嫦娥三號地月轉移軌道

2013年12月2日01:49:00

半長軸:191038 km

偏心率:0.965512

傾角:28.5 deg

升交點赤經:335.289 deg

近地點幅角:146.92 deg

真近點角:17.6508 deg

地面套用系統

地面套用系統的主要任務是:根據科學探測任務,研究提出有效 載荷配置需求;製定科學探測計畫和有效載荷運行計畫,監視著陸器和巡視器有效載荷的運行狀態,編製有效載荷控製指令和註入資料,完成有效載荷運行管理;使用北京密雲50m和雲南昆明40m口徑兩個地面站並行工作,同時接收著陸器和巡視器的下行探測資料,進行在地儲存和備份;對科學探測資料進行處理、解譯,組織開展科學套用研究;受探月與航天工程中心委托,管理科學探測資料並按規定分發資料產品。

地面套用地面套用

研製進度

嫦娥三號研製進度表
時間研發項目研發單位備註
2008年3月嫦娥三號設計工作開始中國航天科技集團公司嫦娥工程二期立項
2009年11月5日月球探測器系統仿真與驗證廠房開工航天五院基建開始
2009年11月13日嫦娥三號探測器完成方案設計航天五院方案轉初樣
2010年10月1日成功發射探月工程二期的先導星嫦娥二號衛星中國航天科技集團公司嫦娥工程二期先導星
2011年1月20日探月工程二期"嫦娥"三號著陸器推進分系統試車成功研發單位航天801所,試車單位航天101所登入器推進系統試車
2011年8月嫦娥三號巡視器內場試驗開始航天五院內場試驗
2011年9月已經完成各型試驗用探測器的總裝航天五院開始內外場、變推等試驗
2012年1月完成月球著陸器的懸停避障及緩速下降試驗航天五院完成著陸試驗
2012年2月嫦娥三號紅外成像光譜儀月面在軌定標技術研究通過轉正樣評審中國科學院安徽光學精密機械研究所嫦娥三號的紅外儀轉正樣
2012年2月21日探月工程二期著陸器推進分系統總裝交付航天801所首個分系統交付
2012年3月13日嫦娥三號轉入正樣研製航天五院初樣轉正樣
2012年7月8日嫦娥三號完成發射場合練航天科技集團合練完成
2012年8月嫦娥三號衛星開始正樣電測工作航天五院正樣電測
2012年9月27日固體所承擔的CE-3著陸機構正樣產品通過驗收評審中國科學院合肥物質科學研究院著陸機構樣品
2012年11月嫦娥三號著陸器熱試車力學試驗成功航天五院著陸器熱試車
2012年12月3日嫦娥三號巡視器紅外成像光譜儀感測器控製FPGA通過測試航天科工三院304所有效載荷評審
2012年12月嫦娥三號探測器進行兩器正樣EMC測試航天五院整體部EMC測試
2013年1月發射嫦娥三號的長三乙火箭開始總裝航天科技集團211廠火箭總裝
2013年1月8日嫦娥三號月球探測器啓動正樣階段獨立評估工作航天科技集團、國防科工局正樣評審
2013年1月大口徑天線的航天測控站全面投入套用北京跟蹤與通信技術研究所大口徑天線投入使用
2013年2月嫦娥三號伽瑪關機敏感器在月球著陸環境模擬裝置內的模擬試驗成功航天五院508所伽瑪儀
2013年3月月球地形地貌相機研製成功科學院光電技術研究所效載荷地形地貌相機正樣產品
2013年4月嫦娥三號進入熱試驗準備階段航天五院五院總裝與環境工程部熱試驗
2013年7月嫦娥三號著陸緩沖試驗順利進行航天五院508所著陸緩沖試驗
2013年8月19日嫦娥三號月球探測器正樣階段獨立評估圓滿結束航天科技集團、國防科工局正樣評審完成
2013年8月審議批準了嫦娥三號任務由研製建設階段轉入發射實施階段國防科工局轉入發射階段
2013年9月12日嫦娥三號運抵西昌發射場航天五院到達發射場
2013年10月1日嫦娥三號地面套用系統軟體完成測試航天科工三院304所地面套用
2013年10月16日嫦娥三號任務火箭通過出廠評審航天一院火箭評審通過
2013年10月27日嫦娥三號任務運載火箭啓程航天一院火箭啓運
2013年11月8日嫦娥三號探測器通過加註暨轉場前評審航天科技集團公司探測器加註
2013年11月嫦娥三號順利轉場航天科技集團公司完成轉場
2013年11月嫦娥三號探測器順利完成扣罩航天科技集團公司嫦娥三號上箭
2013年11月27日嫦娥三號月球車定名玉兔號航天科技集團公司玉兔號
2013年11月30日火箭開始常規推進劑加註航天科技集團公司推進劑加註
2013年12月1日嫦娥三號任務將進入射前工作程式航天科技集團公司進入發射程式

過程

2014年3月14日6時42分,"玉兔號"月球車收到了正常遙測信號,成功的自主喚醒。此前,嫦娥三號著陸器于2014年3月12日15時21分已實現自主喚醒。進入第四月晝工作期後,著陸器和月球車搭載的載荷重新開機,按計畫開展有效探測工作。

在此前三個月晝工作期,著陸器工作正常。著陸器上搭載的有效載荷月基天文望遠鏡、極紫外相機以及工程載荷月塵測量儀完成了既定的探測任務,獲得了大量的科學和工程資料。進入新的月晝工作期後,這些載荷將進行長期的有效探測,以獲得更多科學資料和探測成果。著陸器已轉入長期管理模式。

自2013年12月14日實現月面軟著陸以來,"玉兔號"月球車經歷了三個月夜極低溫度考驗,迎來了第四個月晝。按照工作計畫和相關程式,月球車將轉入長期管理模式。月球車此前出現的機構控製異常問題仍未排除,有關方面仍在繼續進行故障排查工作。月球車其它功能正常,車上的全景相機、測月雷達等四台有效載荷按計畫開展了科學探測。在此後的月晝工作期間,月球車搭載的設備將根據需要在地面控製中心的指揮控製下開展後續探測工作。

嫦娥三號著陸器和"玉兔號"月球車在三個月晝工作期間,圓滿完成了工程任務,獲取了大量工程資料和科學資料,為今後月球探測和科學研究打下了堅實基礎。

2016年4月,嫦娥三號和玉兔月球車拍攝的迄今為止最清晰的月面高解析度全彩照片首次公布,讓全世界看到了一個真實的月球,也給全世界科學家研究月球提供了第一手資料。

媒體評價

日本的《讀賣新聞》報道稱:若著陸成功,則標志中國將成為繼前蘇聯、美國之後第三個實現月球軟著陸的國家。這是中國向航天大國邁進的重要一步。

日本的《日本經濟新聞》認為:中國的本次月球探測將進行核能資源的探測,以確保中國未來在月球上獲取能源的權益。

英國的路透社稱:中國周一凌晨將肩負首次登月任務的探測器嫦娥三號送入軌道,為中國太空計畫的一大重要裏程碑。訊息稱,此次登月任務激發了民眾對中國科技實力日益增強的自豪感。若任務成功,中國將成為繼美國、蘇聯之後第三個"登月"的國家。

印度的NDTV稱:此次嫦娥三號探測器將對月球表面和自然資源進行探測。嫦娥三號的成功發射成為了中國空間探索計畫的重要裏程碑。太空計畫的成功進行體現了中國國際地位的日益提高和不斷取得的科技進步。

美國的CNN以《嫦娥飛月中國空間探索十年大發展》為題報道了嫦娥三號探測器的發射。訊息稱中國將成為繼美蘇後,第三個將探測器著陸在月球表面的國家,這一新的空間探索成就距離中國將宇航員送上太空僅有十年的時間。當前,全球隻有美國、蘇聯成功實施了無人月球表面軟著陸;隻有美國實現了載人登月,蘇聯開展了兩次月面無人巡視探測任務。

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