“嫦娥之父”谈“嫦娥”

　　
　　叶培建院士
　　2017年1月12日，中国科学院紫金山天文台于2007年发现的、国际编号为456677号小行星获国际小行星命名委员会批准，正式命名为“叶培建星”。这次命名体现了国际社会对叶培建院士科技成就的褒扬。
　　记者：我国探月工程已完成了绕月探测和落月探测两个阶段，请您介绍一下探月工程，即“嫦娥工程”各阶段已取得的技术成就和意义。“绕”是探月一期工程，嫦娥－1的主要技术突破是什么？
　　叶院士：我国探月工程是按“绕”、“落”、“回”三步走规划的，前两步现已完成，第三步“回”正在实施中，而三步之外的事情也在策划。
　　“绕”就是发射嫦娥－1进行绕月探测；“落”就是先发射嫦娥－2作为先导星，再发射嫦娥－3进行落月探测。2007年发射嫦娥－1，使我国空间探测器实现了从无到有。胡锦涛总书记在嫦娥－1成功发射的庆功大会上评价说：“我们起步比较晚，但起点比较高。”嫦娥－1成功实现了绕月探测，一步就达到了世界先进水平，这从它的姿轨控精度、热控以及从它所获得的科学成果上都可以得到验证。嫦娥－1突破的技术主要有：
　　1）轨道设计技术。从科学探测的目的和任务考虑，为了尽可能对全月面进行探测，特别是对月球南北两极进行探测，嫦娥－1的工作轨道选择了绕月极轨道。为使嫦娥－1在绕月轨道上任何一处的位置都对月面拍照，并具有相同的分辨率，轨道高度要求保持稳定，因此选择的工作轨道是圆轨道，最终确定为200km高的极月圆轨道，运行周期约为127min。嫦娥－1在这一轨道运行所需能量最少，发射和变轨过程风险最低，为中国月球探测工程和今后的深空探测轨道设计积累了经验。
　　2）天线技术。在当时全世界搞月球探测的国家中，美国和俄罗斯深空网主力天线的口径为35m，最大的天线口径达到了70m，而我国航天测控网最大天线的口径只有12m，无法满足月球探测的需要。天线的口径和探测距离成正比，增大天线口径可以增加航天测控的距离，提高航天测控网的深空探测能力。经过努力，我们用很少的经费在喀什站和青岛站新建了2个18m直径的天线，提高了远距离测控精度，使地面站测控距离从地球近程范围延伸到月球范围，保证了嫦娥－1在距离地球4.0×105km远的太空，仍能很好地建立星地间数传与测控信号的无线通信链路，为嫦娥－1圆满完成运行与科学探测任务奠定了坚实基础。
　　3）首次使用紫外月球敏感器。红外地球敏感器在人造地球卫星和宇宙飞船上应用非常普遍，但这种敏感器并不能应用于月球探测任务，因为月球没有大气层，不具有稳定的红外辐射带，但有稳定的紫外辐射。用紫外月球敏感器作为嫦娥－1的“眼睛”观察月球，可以在各种月相下工作，包括新月、上弦月、满月、下弦月，甚至出现日全食时也可以正常工作，无需地面站支持，即可直接获得对月的俯仰角和滚动角，确定绕月探测器飞行轨道是否平行于月面。
　　4）解决三体定向问题。以前的地球卫星是两体定向：太阳电池翼对太阳定向，测控通信和有效载荷对地球定向。但月球是三体定向：太阳电池翼对太阳定向，探测仪器对月球定向，收发天线瞄向地球。一个飞行器同时进行3个方向的定向，在技术上难度很大。因此，首次采用了双轴天线自主指向控制技术，使天线可以上下左右自由活动，能在半球空间内实现高精度指向定位要求，从而具有对地球的跟踪指向能力，将科学探测和遥测数据准确传回地球，并降低通信天线的功耗。
　　5）温控技术。嫦娥－1绕月飞行时，会受到太阳、月球、月球阴影、地球阴影（月食）和太空寒冷背景的影响，外部热环境非常恶劣复杂，月球表面温度变化剧烈，温差变化在120～－180℃之间。因此，研制出一套能同时适应地月转移和月球环境的温控系统，使嫦娥－1在热的时候能够散热，寒冷环境下又能够保证卫星温度，这是一个很大的挑战。
　　此外，嫦娥－1首次利用CCD立体相机获得了120m分辨率全月球影像图、三维月球地形图等成果，而且包含了月球的南北极。在此之前，全世界没有一个国家获得过月球的三维立体全月图。虽然月球的地图国外已绘制很多，但多为平面图，三维立体图很少，而且还有很多空白，因为月球上高纬度的地方太阳是斜照的，光线不足，拍照效果就差一些。一般来说，在70°（S）～70°（N）就很难拍摄了，南北极地区有些深坑，太阳永远照射不到，也没有绘制成地图。嫦娥－1采取与其他国家不同的思路，搭载1台CCD立体相机和1台激光高度计，两者结合起来就能绘制成一张比较精细、全面的月球立体地图，而美国的“克莱门汀”月球探测器曾获得过75°（S）～75°（N）之间的110m分辨率月球图像，但不包括月球的南北极。嫦娥－1的X射线谱仪和γ射线谱仪可以为月球透视，探明了14种有用元素在全月球上的含量与分布特征。比如关于氦－3，我们既验证了美国人的说法，也有自己的独特看法。美国人说月球上的氦－3资源量在1.0×106～5.0×106t左右，我们认为是偏向于低端的1.0×106t左右。如果用于未来核聚变发电，能够满足人类社会1万年以上的能源需求。

　　嫦娥－1所拍摄的首幅月面局部三维立体图
　　所以说，无论从工程上还是从技术上，嫦娥－1都获得了很大的成功，更重要的是通过这个项目培养锻炼了一批人才，平均年龄不到30岁，形成了我国深空探测的基本队伍，现在所有的深空探测项目队伍都是从这支队伍慢慢扩展、壮大成长起来的。
　　设计嫦娥－1时大都是年轻人打天下，只有轨道设计是位叫杨维廉的老同志在其中做了很多工作，即便如此，我也很坦率地说：“你很有资格，也很有经验，我不是不放心你，我是不放心我自己，因为毕竟是第一次，而且我们无法验证，因此我当时背靠背地把输入条件给了三家同时设计，设计出来的结果是一样的，这样我就比较放心了。”老杨很有水平，也比较有个性，他还是很不高兴地说：“你不信任我！”我说：“不是我不信任你，第一次我们都要小心点儿为好。”事实证明：他的这个轨道设计是很好的。
　　嫦娥－1投入了14亿元人民币，包括了探测器、火箭、2个地面站等，仅相当于修建2km地铁的费用。国家当时投了20亿元人民币，余下的6亿又作了个备份，即嫦娥－2，因为科学实验总要允许失败。
　　记者：嫦娥－2在落月探测中的主要作用是什么？
　　叶院士：探月二期工程需要攻克的关键技术多、技术跨度和实施难度大。为降低探月二期工程风险，我们对嫦娥－1的备份嫦娥－2进行了改造，为我国首个落月探测器嫦娥－3做准备。当时有几个关键技术问题要解决：第一，嫦娥－1的120m分辨率不足以帮助我们挑选具体的着陆点；第二，嫦娥－1的轨道是200km，后来在完成拓展任务时曾经降到100km，也降低到近月点15km、远月点100km，但都是短时间的。当时国家还没有深空测控网，也没有X频段的应答机，嫦娥－1当时用的是S频段应答机，为试验验证嫦娥－3任务的部分关键技术和实现月面软着陆积累经验，并在嫦娥－1任务的基础上深入开展月球科学探测和研究，我们决定把嫦娥－2进行改造，突破了以下技术问题：
　　第一，嫦娥－2的绕月飞行轨道变为100km，最近点只有15km。嫦娥－1携带的CCD立体相机分辨率为120m，而嫦娥－2的分辨率达到了7m，比嫦娥－1提高17倍。在近月点15km飞行时，对预选着陆区虹湾地区进行了约1m分辨率的成像；在100km极圆轨道运行时，对全月面进行优于10m分辨率的成像。有人曾预言嫦娥－1的120m分辨率能够领先世界5年，但是仅仅3年，我们自己就用嫦娥－2打破了这个纪录。
　　第二，在嫦娥－2上第一次使用了X频段应答机，第一次采用了下行遥测数据的低密度奇偶校验码遥测信道编码技术，在不增大天线任何口径的前提下，仅采用这种编码方式就可以增加2.6dB的增益，大幅提高了数据传输过程的纠错能力，提高了卫星遥测链路性能，防止外界干扰出现误码，为提高数据传输效率奠定了更好的基础，为探月工程和其他深空探测项目提供了技术储备。
　　与嫦娥－1相比，嫦娥－2增加了1台降落相机和3台监视相机。降落相机可以对重点地区做出精细测绘，可实时对嫦娥－3预选着陆区进行拍照，还可以拍摄软着陆过程，并在降落过程中根据图片自主避开不适于降落的地点。3台监视相机分别用于监视490N发动机、定向天线和太阳电池翼的工作情况，使地面人员第1次看到发动机在太空中喷出火焰，第一次看到太阳电池翼展开时的抖动和定向天线在太空转动的真实画面，所以说嫦娥－2很好地完成了为嫦娥－3进行着陆工程上的准备。但它最大的亮点还不在于此，而在于它拓展试验的成功实施。嫦娥－2首次实现了从月球轨道出发，受控准确进入距地球约1.5×106km的地日拉格朗日2点的环绕轨道，这是天文学家梦寐以求的空间天文台的位置，实现了我国航天飞行从4.0×105km到1.5×106km的跨越，并在距地球7.5×106km处与图塔蒂斯小行星交会，设计的交会距离是15km，实际上是600m，因为距离很近，拍摄到了很清晰的照片，包含了很多科学的信息，我们联合有关专家在《Science》发表了这些科学发现。
　　现在，嫦娥－2已经是太阳的人造小行星了，围绕太阳做椭圆轨道运行，测控通信的最远距离达到近1×108km时仍能收到信号，预计在2020年前后回到地球附近。嫦娥－2很好地完成了嫦娥－3的工程准备，为嫦娥－3选择了很好的着陆点。
　　记者：嫦娥－3任务完成的很出色，为此，攻克了哪些关键技术？
　　叶院士：嫦娥－3的整个探测过程中，包括地月转移、环月、软着陆、巡视勘察几个阶段，需要攻克多项关键技术。它与嫦娥－1、2都不一样，是一次性进入距月球100km高的圆轨道。因为能源受到限制，嫦娥－3运行一段时间后变成100km×15km的椭圆轨道。与发射、近月制动、变轨等阶段相比，落月更为关键。着陆是从距月面15km时开始下降，要在短短的几百秒内安全降落到月面预选着陆区，这是一个全新的、也是一个最重要的考验。
　　这当中的主要技术成就是研制了很多新的敏感器：微波测距、测速敏感器、激光测距敏感器、激光三维成像敏感器和光学成像敏感器，都是为了确保探测器实现安全区着陆。一开始我们在全国招标，有的设备很多的单位想做却做不下来，只好由中国空间技术研究院自己兜底，最后都成功研制出来了，由此也带动了我国很多敏感器的研制工作。
　　因为月球没有大气层，不能使用降落伞减速，只能是一边降落，一边用变推力发动机把速度降下来。由于在落月过程中嫦娥－3发动机推力变化很大，传统发动机无法达到所需的深度节流能力，所以相关单位专门研制了1500～7500N的变推力发动机，嫦娥－1、2是用490N发动机。7500N是国内最大的变推力发动机，除了用于软着陆，它还用于奔月过程中的轨道修正和进入月球轨道的轨道制动。由于月球表面凹凸不平，为避开大石头和大坑，在距月面约100m时，嫦娥－3能像直升机一样悬停，实现自主避障，这是世界第一。另外，着陆器的4条着陆腿的设计也很重要，每条腿上有2根拉杆缓冲器，没有液压装置，冲击能量全部靠材料吸收，研制中也曾经历了多次断裂，现在成功了，看起来都很简单，过程却是艰辛的，这是完成“落”的问题。
　　非常可惜的是着陆腿的设计师陈天智去世了，倒在了工作岗位上。他是从小立志要一心干航天的，三清学子（清华本硕博毕业），日本的博士后，很能干，很优秀。一讲起他，我都是要掉眼泪的。我为他写了副挽联：清华学子，出类拔萃，献身航天事业；大功未成，将星西去，佑我嫦娥落月。他父母收藏了这副挽联，并捎来口信：没有什么其他要求，就是嫦娥－3成功以后，希望体现一下孩子做的工作。我在嫦娥－3成功后，做了些工作，由探月中心颁发了一个证书，体现他在这个工程中所作的贡献。
　　月球的1天约相当于地球的28天，月夜和月昼各占1/2。在月球上，受光部位的极限温度可达150℃，夜间温度会降到－180℃，有些地区甚至低至－200℃。为解决月球昼夜极端温差的考验，嫦娥－3首次采用了同位素热源以及两相流体回路、可变热导热管、隔热组件、散热面设计、电加热器、低重力环境下机构的重复展开与收拢技术、月尘环境下机构的润滑与密封技术等，以确保探测器系统顺利度过月夜：月夜时断电，同位素热源使温度保持在－20℃以上；月昼时，通过光照自主唤醒工作。这是全球首创的重力驱动热控两相流体回路以及此前从未在星上用过的可变热导热管，需要时将热量导入舱内，不需要时切断传热途径。
　　嫦娥－3着陆器和玉兔号巡视器的设计寿命分别是1年和3个月。到目前为止，着陆器上的月基天文望远镜等有效载荷及工程参数测量设备工作正常。嫦娥－3月球着陆器已经创造了全世界在月工作的最长纪录，到目前还在工作。
　　简单说起来，嫦娥－3解决了“落得下去”、“走得起来”，而且寿命很长。
　　记者：请您简单介绍一下玉兔号巡视器的故障情况。
　　叶院士：玉兔号运行了1个多月就无法移动了，说起这个故障，设计上有两处做得不到位。一是对月球环境有认识，但认识不到位；二是对可能出现的故障处理措施不到位。比较科学的解释是：①由于月球车要轻小型化，所以设计得高度集成，相应部分没有备份；②所有轮子的驱动机构控制电路都在一块板子上，现在看有可能是一个驱动电路的电源有短路现象。根据地面的模拟试验和推测，由于轻小型化，导线很细，可能是在它行走过程中驶过一块大石头时，有条导线表皮被石头割破了，导线与月球车支撑体短路，这是最大可能性。但由于玉兔号在月面，难以验证，我们在后续设计时已充分考虑了这点，并采取了有效措施。航天探索有很多未知数需要人类不断探寻，有很多问题需要重新认识。我希望奇迹发生，但是到目前为止，奇迹还没有发生。
　　记者：2017年，我国将发射嫦娥－5月球采样返回探测器，如何突破其关键技术以确保成功？
　　叶院士：和嫦娥－3相比，嫦娥－5的一个巨大跨越是它由4部分组成：着陆器、上升器、轨道器和返回器，这4部分的总质量很大，目前所有的发射场都发射不了，必须要到新建的海南发射场用长征－5火箭发射。
　　首个难题就是长征－5要把这4部分的组合体发射到月球轨道，并且在轨道上就要分离，两两一组：轨道器和返回器的组合在轨道上运行，着陆器带着上升器降落在月球预定区域。进行月球采样需要有机械手，着陆器上的一只机械手在月球表面采样，另一支只机械手在月球深层采样，并且可以在月球上打出2m深的窟窿，钻取的月壤必须原原本本，不能破坏原有的层次结构。采样之后，在月球高真空的条件下包装密封，不能有任何污染，还要像孙悟空在八卦炉里一样经得起返回时的各种恶劣环境。“阿波罗”飞船载人登月时就发现月球上有水，但带回的样本密封出现了问题，搞不清是在月球上还是在地球上被污染了。所以说，在无人情况下的采样和密封包装也都是难点。
　　另外，在月面起飞上升时，至少有2个难点：首先，这将是中国飞行器第一次在地外天体起飞，如何保证上升器在极短的时间内保持稳态上升是一大难点。第二，在地球轨道上进行交会对接，一般是小追大，如“神舟”飞船追“天宫”；在月球轨道上进行交会对接，轨道器追上升器是大追小，所以难度大，稍微控制不好就偏离到太空中去了。交会对接后，要从上升器里把样品转移到返回器上，再把上升器分离掉，之后轨道器和返回器组合体返回地球。
　　这就又带来2个问题：首先，嫦娥－5要以接近第二宇宙速度（约11km/s）返回地球上的中国可控范围，这是需要突破的关键技术之一。第二，要控制好组合体的姿态，如果开始的出发点控制得不好，着陆点就可能偏离得无法找到了。
　　嫦娥－5的返回有一个很大的创新。之前卫星和“神舟”飞船的返回都是直接返回，嫦娥－5则采用跳跃式再入，即返回器进入大气层到距地球60km时将再跳回到大气层外，接着再次返回大气层，这样可以降能减速，也有利于着陆点调整，这种返回方式也是首次试验。已试验的嫦娥－5T落下来的时候，开伞点距中心误差不到600m，风速2km，最后误差是2.6km，这是很了不起的。
　　现在，嫦娥－5在做各项准备工作，2017年就可以发射了。
　　至此，嫦娥工程的“绕”“落”“回”三步走就完成了，到那个时候，中国在无人探月方面，绝对不比别人落后了。  嫦娥－5月球采样返回器返回地球示意图
　　记者：拟于2018年发射的嫦娥－4探测器将有哪些技术创新？预计能取得哪些成果？
　　叶院士：探月工程当初的“三步走”战略定得很好，但走完了并不是终结。我个人认为：中国从无人探月到载人登月要结合起来，由两个大单位进行管理是有问题的。现在无人探月的技术还不能够支撑载人登月，而载人登月的技术缺乏一些基础准备，两者必须要结合起来。我认为中国的探月将来还有很多事要做，这就带来一个问题：嫦娥－3的备份嫦娥－4将来干什么？我们曾用了2年时间论证甚至争吵，核心是嫦娥－4要落在月球正面还是落在月球背面？很多人都认为要落到月球正面，比较牢靠，不要节外生枝了。我是主张落到背面的。有一次在国防科工局开会，已经准备写会议纪要确定要落在月球正面了，我说我服从上级决定，只要定了我一定努力做好。但我不同意落在正面，我们已经落到过正面了，再去落一次有多大意思？要不我不签名，或者就说开会我没来，我回避了。领导还挺好，说咱们再讨论讨论吧！最后决定：落到月球背面，成功了是一大亮点；不成功，人类第一次可以原谅，先不要讲什么科学意义、技术带动了，单从逻辑学上看，落到月球背面的科学意义就是一句话：背面没去过！
　　但从严格意义来讲，美苏曾有飞行器撞击过月球背面。应该说，在月球背面进行软着陆将是世界首次，可以开展三大科学研究：①对月球背面的环境进行研究；②对月球背面的表面、浅深层、深层进行研究；③最大的特色是在月球背面不受太阳的影响，可以在月球背面和中继星上分别装上低频射电探测仪，那是低频射电探测的绝佳场所，这样的频段选择也是世界首次。但是落到月球背面，通信是个问题，我们必须要在嫦娥－4发射之前半年打一颗月球中继卫星，打到地月拉格朗日2点上，在地球就可以进行测控通信。希望它的寿命越长越好，中国有颗中继卫星在那里，若有其他国家想要去探测月球背面，我们可以提供服务，分享科技成果。在这颗中继卫星上，也装有低频射电装置，可以与月球背面联合进行探测，这就是发射嫦娥－4的意义所在。
　　（ 本文来源：卫星应用 ）

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