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　　「嫦娥」探月的關鍵一步

　　中國探月「三年一會」，在這個冬天如期而至。

　　繼2007年嫦娥一號，2010年嫦娥二號完成奔月之旅后，2013年12月2日凌晨，嫦娥三號攜帶中國第一輛登月車飛向月宮。

　　這是中國探月工程「繞、落、回」三個階段中第二階段，卻是最為關鍵的一步。中國是否進行載人登月及建立駐月基地，需要在這一「落」中尋找更多的答案。

　　航天是一項風險極高的事業，沒有強大的國力和技術儲備，很難進行。從火箭運載工具到航天器的設計製造，從深空測網布局到遙操作，從無人探測器到載人航天，每一步都是國家綜合實力的體現。

　　天空就在那裡，我們需要夢想更需要理性，從嫦娥一號升空到實現載人登月的夢想，中國仍有很長的路要走。而每一步的邁出都要依據中國的科技水平、綜合國力和國家整體發展戰略而制定。

　　本刊記者/席志剛

　　寒冷的月宮即將迎來首位中國訪客。12月2日，承載國人探月夢想的嫦娥三號順利升空，並準確進入地月轉移軌道，開啟了中國首個航天器在地球外天體著陸的大幕。

　　按照計劃，嫦娥三號將在12月6日進入高度為100公里的近月軌道，並在發射13天后在月球上實施軟著陸，而首次登月的「玉兔」月球車將完成月球探測、考察、收集和分析樣品等複雜任務。

　　在科學技術和經濟發展的強力支撐下，中國在宇宙探索的路上開始「加速度」。

　　「落下去，走起來」

　　自1976年美蘇等航天大國探月工程告一段落以後，就沒有哪個國家再到月球上進行落月探測。

　　按照中國的嫦娥三號任務，整個探月共有三步，落下去算一步，月球車走起來算一步，到達之後完成全部任務是最後一步。在「嫦娥之父」、中國空間技術研究院空間科學與深空探測首席專家葉培建看來，安全落下去就是成功，隨後月球車離開著陸器行走起來並能在月球上工作一段時間，任務結束以後就是最大的成功。

　　如何安全地落下去，並順利地走起來，是嫦娥三號遇到的最大挑戰。

　　在整個落月過程中，在離月面一百米的時候要像直升機一樣懸停，通過全景相機等對月面進行探測，選擇合適的降落區。若有石頭或者是坑，就要進行平移，選擇一個更安全的地方。

　　隨後的軟著陸更是巨大的考驗。因為月球沒有大氣層，不能使用降落傘進行減速，科研人員採用變推力發動機、自主導航控制技術和研發緩衝吸能部件來攻克這一難關。

　　「一邊落一邊往上推，這樣慢慢降下來，逐漸下落至距月球表面4米的位置之後發動機將熄滅，將採用自由落體的方式，軟著陸在月球。」航天專家龐之浩告訴《中國新聞周刊》，「難度之大，超乎想像。」

　　接下來要過巡視關，月球車得動起來，還要保證不翻車。在開始行進前，月球車採用的是視覺導航，利用自己所攜全景相機，對四周進行觀測，自主進行規劃路線，然後行進。與此同時，全景相機所拍資料傳回地面，以便無法自主行進時，地面科技人員遙操作控制巡視器移動。

　　與美俄無人探月要麼是單個著陸器，要麼是單個月球車不同，中國的嫦娥三號是把著陸器和月球車探測器結合起來的聯合探測。

　　月球科學領域專家表示，嫦娥三號挑戰人類月球科學探測史上的幾項「首次」主要由嫦娥三號攜帶的八大科學載荷中的三件完成。其中，近紫外月基天文望遠鏡將進行世界上首次用月基天文望遠鏡觀測天文；月球車「腹部」的測月雷達隨月球車移動探測月球地底下30米深土壤層的結構和100米深的次表層結構亦屬世界首次。

　　月夜生存是嫦娥三號落月後面臨的又一難關。龐之浩說，月晝月夜有330多攝氏度溫差，必須保證各載荷在寒冷的月夜下著陸器和探測器不被凍壞，太陽出來時再自動喚醒開始工作。

　　為突破長時間經受嚴寒難關，在月球上過夜，嫦娥三號將攜帶核能電池飛天。核電池對將在月夜環境下生存的嫦娥三號的保溫至關重要。龐之浩告訴《中國新聞周刊》，不僅可以確保探測器上儀器不被凍壞，夜間休眠中的月球車還可以靠核電池放出來的熱量保溫。

　　此外，核電池還可以用於小規模供電，支持嫦娥三號所帶月球車低速移動；支持嫦娥三號所帶設備正常工作；支持嫦娥三號與地球之間的通訊。據了解，嫦娥三號探測器攜帶的核電池由中核集團研發。

　　與美蘇上世紀50~70年代即把核電池用於航天領域相比，中國則落伍很多。中國第一塊核電池於1971年3月12日誕生於中科院上海原子核所，並進行了模擬太空應用的地面試驗。從中國原子能科學研究院官方網站上可以發現，2004年開始該院正式啟動航天用同位素電池的研發，到2006年，研製出我國第一顆?238同位素電池，2008年通過了專家組的鑒定。

　　雖然「國產」同位素電池的功率與美國核電池140瓦左右的功率還有距離，但技術並不遜色。航天專家稱，在我國未來的深空探測計劃中，比如火星、金星探測中，核電池會發揮越來越大的作用。

　　全球「月球車」大比拼

　　此次嫦娥三號搭載的「玉兔」月球車，金光閃閃，頗引人注目。月球車全名為「月面巡視探測器」，是集航天系統工程和智能機器人為一體的航天器，能完成月球探測、考察、收集和分析樣品等複雜任務。

　　迄今為止，世界上發射並成功運行的月球車有5輛，其中兩輛無人探測月球車是前蘇聯在上世紀70年代發射，另外三輛是美國阿波羅15號、16號、17號有人駕駛月球車。

　　中國的玉兔號月球車是無人駕駛月球車，質量約140kg，與前蘇聯約1.8噸重的月球車相比簡直是「小個子」。在龐之浩看來，月球車是中國最高智能的機器人，全部自主導航，自己選路線、上坡、下坡、避開障礙，自己指揮身上的儀器操作，最後把數據傳回地球。

　　據了解，月球車金光閃閃是穿上了一套特殊材料製作的外衣，是一層層比羽毛還輕的保溫膜，這種保溫膜由膜狀物和網狀物間隔拼疊而成，共有15層。此外還有一種銀色膜主要用來反射太陽光和散熱，金銀外衣組成了一個天然的空調系統。

　　很長一段時間，月球車由哪個單位製造，並沒有明確的說法。龐之浩透露，「玉兔」月球車由中國空間技術研究院牽頭，集眾多科研單位研究成果於一身，各個研究單位的優勢得到了已有體現。

　　直到2006年6月27日，由中國空間技術研究院承擔的國家科技攻關計劃「月球探測車制導導航技術研究」通過了科技部組織的國家級驗收，並從7月12日開始在月球環境相似的甘肅與寧夏交界處騰格里沙漠邊緣的沙漠腹地進行月球車野外試驗，此後，中國空間技術研究院研製的月球車才進入公眾視野。

　　「嫦娥三號任務系統的探測器系統由中國空間技術研究院抓總，探測器有效載荷由中國科學院空間科學與應用研究中心抓總。」龐之浩告訴《中國新聞周刊》，這是最嚴謹的說法。

　　據《中國新聞周刊》了解，中國空間技術研究院介入月球車的研製可以追溯到2003年，當年2月，北京控制工程研究所的梁斌、王巍、王存恩在中國空間技術研究院網站發表名為《開發我國月球車的初步設想》的文章，文章稱，北京控制工程研究所承擔了「月球表面探測機器人方案研究」的863項目，並取得了一些成果。

　　賈陽是中國空間技術研究院月球車課題組的負責人之一，在2006年的一次訪談中透露，他的團隊在吸取了其他科研單位在移動、導航方面的經驗后，與多家研究單位形成了聯盟。最終登月的「玉兔」月球車是多家科研單位合作的結果，哈工大主要負責製作它的移動系統和底盤，瀋陽自動化所做的是機械臂。

　　儘管逃不脫國外月球車的影子，但中國的月球車並不是克隆產品。月球車的每項技術都打上了中國製造的名字，核心技術完全自主開發。

　　「月球車上的技術在其他航天領域也會得到應用，並不止步于探月。」賈陽此前表示，關鍵技術掌握了，稍做改裝還可以投入火星探測之用。考慮到月球與火星星球環境的不同，會做適當改進，不過移動、導航、自主性的大框架還是一致的。

　　中國登月下一步

　　所有參与航天活動的國家都承認，航天是一項風險極高的事業，幾乎都曾飽嘗過失敗的苦澀。中國探月工程首席科學家歐陽自遠坦言，探月工程經受不起失敗。特別是嫦娥三號80%的產品和技術都是新的，更增加了風險。

　　即使是在相對成熟的發射階段，其運載火箭必須滿足高可靠性、高安全性和高質量的「三高」要求，這種要求極為苛刻。

　　航天專家透露，在完全串聯繫統中，若火箭零部件的可靠性為0.99999，即10萬個零件中有故障的不多於1個，這種情況下組裝的火箭的可靠性卻只有可憐的0.37，也就是發射3枚火箭就有可能失敗1枚。而要使火箭的可靠性達到0.9999,就要求零件的可靠性達到0.99999999,也就是說，1億個零件中，不可靠的都不能多於1個。

　　此次執飛嫦娥三號發射任務的是長征三號乙增強型運載火箭。長征三號乙是中國目前運載能力最大、技術最先進、構成最複雜的運載火箭，代表中國目前運載火箭技術的最高水平，在世界航天界也居前列。

　　長征三號乙增強型火箭在長征三號乙火箭的基礎上開展了六大專項技術攻關，科研人員借鑒成功率更高的用於載人航天發射的長征2F技術對長三乙運載火箭進行了9項可靠性增長改進項目，飛行可靠性由原來的0.938提升至0.942，以確保嫦娥三號完美落月。

　　儘管有風險，但中國探索太空計劃依然雄心勃勃。

　　按照此前中科院發布的中國科技發展路線圖，其中2050年空間科技發展路線圖明確提出，2030年前後中國實現載人登月，建立月球基地，2050年前後，載人飛行從月球基地飛向更遠的行星，具備載人登火星能力。

　　「載人登月目前尚沒有時間表和明確的、精細的路線圖。」龐之浩認為，載人登月、建立駐月基地以及載人登火星只是科學家的建議，目前中國探月工程進展至「繞」「落」「回」三步中的第二步。

　　「若嫦娥三號一切順利，嫦娥四號則會做一些改進，更換落月點。」龐之浩告訴《中國新聞周刊》，嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，其任務與嫦娥三號一樣。

　　中國科學院院士、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠同樣在嫦娥三號發射前勾畫了探月工程的未來，嫦娥五號要降落在月球上，探測取樣后實現月面起飛，然後繞月飛行。由於嫦娥五號沒有能量飛回地球，需要在發射嫦娥五號時，同時發射一條飛船在月球外面繞飛，在月球軌道等嫦娥五號上來與其交會對接，並將其帶回地球。

　　由於嫦娥五號的有效載荷太重太大，需要研製新火箭進行發射。據了解，新的長征五號火箭正在研製中，這是一款直徑為5米的重型運載火箭，目前已突破多項關鍵技術，進入到試樣階段，並預計於2015年左右在中國海南省文昌衛星發射中心首飛。 ★

　　中國布局「深空測控網」

　　測控系統是所有航天器飛行的「神經中樞」，航天器在發射段、上升段、變軌段、分離段、返回制動段等關鍵飛行段落都離不開測控通信支持，而航天測控水平則是航天界評價航天發展水平的重要標誌

　　本刊記者/席志剛

　　中國的嫦娥三號發射前夕，正值美國大片《地心引力》在全球熱映，電影中一名女宇航員因為一次太空中的意外事故與地球大後方失去了聯繫，不得不一個人面對宇宙的無垠和人類的孤獨並想方設法回到地球。

　　電影的故事雖然虛構，但卻形象地展示了現代航天中測控通信的重要「臍帶」作用。

　　事實上，為了保障這條臍帶的通暢，在中國航天向浩瀚宇宙進發的過程中，一張由海基測量船、國內陸基、海外陸基以及天鏈1號、2號組成的「深空測控網」正在逐漸完成。這些測控站點就好像是蜜蜂的複眼，地面工作人員通過這些「複眼」了解嫦娥三號運行、飛行等情況，落月後展開月地間的遙操作，控制月球車的行走動作，併為未來的深空測控提供支持。

　　遙操作「三大中心」

　　無論是嫦娥三號 「落月」，還是月球車巡視勘察，都需要極為精確的測控控制技術做保障。

　　航天專家龐之浩告訴《中國新聞周刊》，本次任務是中國首次在地外天體實施軟著陸探測，任務技術狀態之新、飛控技術難度之大均前所未有。

　　據北京航天飛行控制中心總工程師周建亮介紹，此次任務飛控工作有「三高」：技術狀態全新，處置能力要求高；遙操作約束複雜，飛行控制精度高 ；系統交互多，著陸器和巡視器兩器協同程度高。針對這些難點，北京航天飛行控制中心先後突破了高精度月面視覺定位、月面巡視動態任務規劃、巡視器路徑規劃與行走控制等六大關鍵技術。

　　這些技術和任務最終都需要來自地面的指揮，因而建設一張能夠實施精確測控的深空測控網必不可少。

　　據了解，嫦娥一號共使用了6個國內測控站，以及南美、歐洲、大洋洲等海外監測站，加上海上移動的兩艘遠望號測控船，觀測嫦娥一號的「複眼」達到十余只。

　　嫦娥二號發射時中國已經具備了由13個測控站組成的龐大、先進的航天測控通信網。這些測控系統包括3個中心、3條測量船、6個位於國內的測控站、1個建於國外的測控站、4個天文觀測站及1個國際聯網測控站。

　　「嫦娥二號是嫦娥三號的先導星，承擔著為嫦娥三號月面軟著陸驗證部分關鍵技術，特別是首次試驗X頻段深空測控技術。」龐之浩解釋說，X頻段深空測控試驗的成功實施將使無線電傳輸信號頻率大大提高，遠距離測控通信效果更好、測量精度更准、信息容量更大，是中國邁向深空探測的重要一步。

　　據了解，嫦娥三號使用地面測控系統更加先進和全面。包括啟用多處天文台配合地面測控。整個測控網路的核心是位於國內的三大中心，即西昌衛星發射中心、北京航天飛行控制中心和西安衛星測控中心。它們有不同分工，分別側重不同的測控任務。

　　西安衛星測控中心負責對分佈在國內外的多個測控站、船、中繼衛星組成的測控網實施管理。

　　北京航天飛行控制中心是航天飛行器任務的飛行控制和遙操作中心，也是嫦娥三號任務全過程的指揮控制神經中樞，是所有測控信息的集散地。嫦娥三號在奔月之路上的各階段數據注入與指揮控制，均與這個中心的指揮控制息息相關。

　　西昌衛星發射中心則主要擔負發射時對火箭的測控任務，接收記錄北京中心轉發的衛星遙測數據並提供給衛星系統。準確判斷運載火箭飛行狀態，在發生故障、情況危急時立即正確分析情況並做出相應決策，保證發射段火箭與衛星的安全。

　　「深空測控網」

　　測控系統是所有航天器飛行的「神經中樞」，航天器在發射段、上升段、變軌段、分離段、返回制動段等關鍵飛行段落都離不開測控通信支持。而航天測控水平則是一個國家航天發展水平的重要標誌，因此，中國一直在努力完善自己的測控通信網。

　　航天測控網一般由航天控制中心、分佈在世界各地的若干航天測控站、海上測量船以及空中空間測控平台組成。測控站按其分佈，有陸上測控站、海上測量船、空中測量飛機和跟蹤與數據中繼衛星四大類。

　　中國從1967年開始建設自己的航天測控網，2011年神舟八號發射前，航天測控通信網進行了全面升級，由專線體制升級到網路體制，並與中繼衛星系統共同參与測控組網。

　　與嫦娥一號、二號不同，嫦娥三號任務的重點和難點是「兩器協同控制與巡視器的遙操作」。對於應急處置能力、飛行控制精度和天地協同控制提出了更高的要求。

　　為此，在三大中心之外，嫦娥三號還啟用了經過改擴建的佳木斯測控站，該測控站新安裝了64米口徑測控天線，並同時具備三個頻段通信測控功能。與已擁有35米口徑測控天線的新疆喀什測控站共同構成一個深空測控網，並與三亞新型測控站形成中國航天陸基測控網「大三角」布局。

　　為了提高測控精度，嫦娥三號還啟用了多處天文台配合地面測控。包括雲南昆明40米口徑和北京密雲50米口徑射電望遠鏡，以及中科院上海天文台剛建成的65米口徑射電望遠鏡，為嫦娥三號任務提供精確測控保障。

　　「測控網和天文台相互備份，可以確保遙操作精準。」龐之浩說，兩個以上的天文射電望遠鏡組合起來可以實現測軌和定軌，於是我國採用了測控網與天文測量技術聯合測軌的方法，用以提高定軌精度。

　　這種聯合測控的方式將在未來的深空測控網中得到更多應用。按照計劃，佳木斯64米口徑測控站、喀什35米口徑測控站以及將於2016年建成的南美測控站將構成的三站聯網的深空測控網。而未來新疆烏魯木齊天文觀測站要建立80米口徑望遠鏡，也將是未來深空測控的補充力量。

　　海外布局「一波三折」

　　2011年11月3日，在神舟八號和天宮一號交會對接時，北京航天飛控中心的大屏幕上出現了在澳大利亞西部城市當加拉設立的測控站畫面，引起了包括美國在內的航天大國的關注。

　　中國的官方報導稱，由於在天宮一號和神舟八號交會對接任務中，系統需要同時完成對兩個航天器的測控通信管理，針對這一要求，新建了澳大利亞當加拉監測站。

　　據了解，澳大利亞批准中國在澳大利亞西部的當加拉測控站園區內設立中國地面測控站的條件是只能民用。當地報紙報導說，測控站是由瑞典空間公司建立的，後來被租借給北京，但關鍵設備都是從中國運來。

　　由於其獨特的地理位置，加上澳大利亞是美國的傳統盟國，美國在澳大利亞有駐軍及軍事設施，中國首次在美國的盟國建立這類設施，引起了美國的警惕。儘管瑞典空間研究中心和澳大利亞當局解釋說，測控站只用於民用，但並未消除美國的疑慮。

　　事實上，中國自1990年代開始嘗試在國外建立陸基測控站。目前已在海外建立了五個可以使用的航天測控站。這些海外測控站與海基測量船、國內陸基以及天鏈1號、2號組成一道先進的航天測控網。

　　如同當加拉監測站一樣，中國建立海外陸基測控站過程中一波三折，經歷過各種干擾。

　　1995年，由於中國發射衛星后要專門派遣遠望號測控船到南太平洋進行測控，耗資巨大。經有關部門分析論證，提出在附近的吉里巴斯建一個測控站，以節省大筆費用。從1995年6月開始，中方先後多次與吉里巴斯商談建站事宜。1996年吉里巴斯政府答應租給中國政府一塊位於塔拉瓦面積一公頃的土地並正式達成協議。塔拉瓦測控站1997年1月開建，當年6月6日建成，成為中國在國外建立的第一個自主航天測控站。

　　建成使用期間，塔拉瓦測控站多次測控了中國發射的衛星，成為中國航天測控網的一個組成部分。不過，后因2003年吉里巴斯政局變化，吉里巴斯新政府與台灣「建交」，中方最終從塔拉瓦測控站撤出。此後，主要依賴遠望系列測控船在南半球監控衛星和飛船。

　　雖然塔拉瓦測控站的建設最終流產，但在巴基斯坦和非洲等地測控站的建立將海外布局推進了一大步。

　　1998年，根據中國航天飛船的工藝要求和總體安排，決定在巴基斯坦卡拉奇建立一個航天測控站。卡拉奇站站址選在巴基斯坦空間與上層大氣研究委員會的院內，1999年10月1日落成，成為中國第二個海外測控站，為神舟一號、二號的發射回收提供了支持。

　　此後，由於中國航天重點實施載人航天工程，每次飛船執行任務對精確測控提出了更高要求，所以新建的海外測控站多根據載人飛船的飛行軌跡進行選點布局。

　　在中國前駐納米比亞大使陳來元的記憶中，由於神舟飛船返回段航程經過南部非洲靠近納米比亞上空，需要在納米比亞建立航天測控站以實現全程跟蹤測量，但納米比亞站的建立也同樣一波三折。

　　2000年10月，中國與納米比亞簽署建站協定，但此後租地問題上出現了麻煩，最後中方只得向時任納米比亞總統努喬馬求助，在努喬馬過問和關照下，中方得以先動工建站，再補辦相關手續。2001年1月中旬測控站動工建設，7月下旬落成后，即發揮作用。神舟三號、四號飛船及五號載人飛船的順利返回，與該站準確測控併發出正確指令密切相關。

　　另一個非洲測控站馬林迪站則直接與神舟五號的任務有關。

　　由於神舟五號是載人飛船，必須確保搜救組能在最短的時間里尋找到著陸的飛船，必須在赤道附近西經40度左右的區域內建一個「望塔」來填補將近10分鐘的數據真空。

　　2003 年初，中國航天測控工程專家組與與羅馬大學和義大利航空局進行合作談判，決定租用義大利羅馬大學布羅格里奧空間中心建在馬林迪的聖馬可營地，並從國內調配專家和設備組建了馬林迪航天測控站。

　　馬林迪測控站是神舟五號和神舟六號發射工程中唯一一個部分租用的測控站。完成神舟五號飛船測控任務后，馬林迪測控站成為中國西安衛星測控中心測控網路中第4個重要的測控節點。

　　神舟七號飛船將執行出艙實驗任務，為保證出艙活動的安全，中國又在智利增加一個測控站。2008年中國在智利聖地亞哥建立了中國衛星測控站，由此，中國航天測控網節點開始進入南美腹地，國外測控站的總數達到5個。

　　智利聖地亞哥站先後參与了中國一些重大航天項目的地面測控工作，特別是2010年10月1日對「嫦娥二號」的測控，由於該站的啟用，加上與歐洲空間操作中心及所屬的位於南美的庫魯測控站進行合同，使得測控通信覆蓋率達到98%。

　　按照中國探月任務目標要求，中國將在2016年完成航天測控全球網路布局，並具備深空探測能力，用於支持未來中國探月工程的月球探測器返回地球、載人登月、火星探測及其他深空探測任務。 ★