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嫦娥三号

嫦娥三号

嫦娥三号（Chang’e-3）是中国探月工程第二阶段的登月探测器，由中国航天科技集团研制。嫦娥三号由着陆器和巡视器（玉兔号月球车）组成，总质量为3780千克。其中，着陆器质量约3640千克，巡视器质量为140千克。共携带8件科学仪器，着陆器和巡视器各4件，用于开展月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和可利用资源调查、地球等离子体层探测和月面光学天文观测三类科学探测。

2013年12月2日，嫦娥三号从西昌卫星发射中心升空，准确入轨；12月14日，嫦娥三号安全着陆月面，中国成为世界第三个实现在地外天体软着落的国家；12月15日，在完成探测器与巡视器互拍任务后，嫦娥三号正式转入月面工作段。在月工作期间，嫦娥三号通过8个科学仪器对月球、宇宙和地球进行科学观测，获得大量宝贵的科学数据。巡视器搭载的测月雷达完成了人类历史上首幅月球地质剖面图，揭露了月球雨海区域火山演化的历史，也展现了月球表面以下330米深度的地质结构特征，而且还在月球上发现了新的玄武岩类别。科学家们还利用巡视器探测的数据，首次揭示了月球雨海区的火山演化历史。着陆器和巡视器相互配合，首次发现了月球上没有水的直接证据。另外，着陆器上的月基光学望远镜和极紫外相机，分别完成了首次月球北极上空的天体普查和地球上空等离子体层观测。

嫦娥三号任务的圆满成功，实现了中国航天器首次在地外天体软着陆和巡视勘察，标志着中国探月工程“绕、落、回”第二步战略目标取得全面胜利，在中国航天事业发展中具有重要里程碑意义。

研发历程

研发背景

1994年，中国科学家开始进行探月活动必要性和可行性研究。2000年11月22日，中国政府首次公布的航天白皮书《中国的航天》，明确了“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”。2001年，由原国防科工委组织中国科学院、中国航天科技集团、原总装备部等单位正式启动月球探测工程的相关论证工作。

2004年1月23日，中国绕月探测工程获批准立项。依据分步实施、不断跨越的原则，无人探月工程按照“绕、落、回”三步走。第一步为绕月探测，即在2004-2007年研制、发射绕月探测器。这一阶段要突破地月飞行、远距离测控和通信、绕月飞行、月球遥测与分析等技术，并建立了中国月球探测航天工程初步系统。第二步为落月探测，即在2007-2013年研制和发射落月探测器。这一阶段将主要突破月球软着陆、自动巡视勘察、深空测控通信、月夜生存等关键技术，为以后建立月球基地的选址提供月面的化学和物理参数。第三步为采样返回探测，即在2013-2020年研制和发射采样返回器到月球表面特定区域进行分析采样，然后将月球样品带回地球进行详细研究。

2004年2月25日，中华人民共和国国防科学技术工业委员会召开绕月探测工程领导小组第一次会议，探月工程被正式命名为“嫦娥工程”，第一颗绕月探测卫星被命名为嫦娥一号。中国探月工程用“嫦娥奔月”神话传说中的人物来命名，弘扬了中国传统文化，表达了中国人“奔月”的决心。

2007年10月24日，嫦娥一号成功发射，实现了对月球全球性与综合性环绕探测，完成了探月工程“绕、落、回”发展规划的第一步。2008年2月15日，探月工程二期立项，二期工程计划实施三次飞行任务，分别命名为嫦娥二号卫星任务、嫦娥三号任务和嫦娥四号探测器任务。嫦娥二号在嫦娥一号备份星基础上进行技术改进，是二期工程的技术先导星。嫦娥三号任务将实现月面软着陆和巡视探测，开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分、月球内部结构、地月空间与月表环境探测和月基光学天文观测等活动。

研发过程

2008年2月，嫦娥三号任务立项，先后经历了21个月的方案设计、26个月的初样研制、20个月的正样研制。

2010年12月21日，中国国家国防科技工业局所属探月与航天工程中心主任张嘉浩表示：“嫦娥三号任务月球探测器中备受关注的月球车已进入初样研制阶段，计划明年转入正样研制。”

2013年11月5日至9日，中国国际工业博览会在上海新国际博览中心举行，由上海宇航系统工程研究所研制的“月面巡视探测器原理样机”（俗称“月球车”）首次亮相工博会。

主要任务

工程目标：突破月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与要操作、深空探测运载火箭发射等关键技术，提升航天技术水平。研制月球软着陆探测器和巡视探测器，建立地面深空站，获得包括运载火箭、月球探测器、发射场、深空测控站、地面应用等在内的功能模块，具备月球软着陆探测的基本能力。建立月球探测航天工程基本体系，形成重大项目实施的科学有效的工程方法。

科学目标：月表形貌与地质构造调查。月表物质成分和可利用资源调查。地球等离子体层探测和月基光学天文观测。

技术特点

结构组成

嫦娥三号探测器包括着陆器和巡视器，总质量为3780千克。其中，着陆器质量约3640千克，巡视器质量为140千克。着陆器的设计寿命是1年，巡视器设计寿命是3个月。

巡视器（玉兔号月球车）呈长方形盒状，太阳翼收拢状态下长1.5米，宽1米，高1.1米，有6个轮子。

基本参数

科学仪器

嫦娥三号共安装了八种有效载荷。其中，着陆器搭载了地形地貌相机、降落相机、极紫外相机、月基天文望远镜四种有效载荷；巡视器（月球车）携带了全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪四种有效载荷。

着陆器

地形地貌相机

地形地貌相机由中国科学院光电技术研究所研制，用于与降落相机和全景相机等有效载荷互相配合，共同完成月表形貌与地质构造调查的科学目标。地形地貌相机集照相、摄像功能为一体，是中国首台在月球上拍摄彩色图像的相机。与国内同类的轻小型相机相比，地形地貌相机具有体积小、重量轻、功耗低等优点，并且功能更加齐全。同时，在技术上克服了月球白天高达120摄氏度的温度、太阳高度角变化大对相机成像质量的影响，能拍摄出高质量的动态、静态图像。

降落相机

降落相机由中国航天科技集团508所研制，仅在着陆过程中使用，在着陆器降落过程中获取着陆区域的光学图像，用于着陆区月表地形地貌和着陆区地质情况的研究，并为着陆点精确定位、后续巡视器探测目标选取提供数据。

月基光学望远镜

月基光学望远镜由中科院国家天文台和中科院西安光学精密机械所联合研制，由主体和反射镜转台两大部分组成。这是人类首次实现依托地外天体平台开展自主天文观测。月基光学望远镜通过地面系统发送指令来实现自主展开工作。同时，月基光学望远镜选择了一个称为极紫外的波段进行观测，这个波段在进入地球时会被大气层吸收，因此无法在地球进行观测，只能通过空间望远镜来完成。极紫外波段对于一些星体的突然爆发现象非常敏感，能够获取有关这些天体的重要信息。

极紫外相机

极紫外相机由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制，这是国际上首次在月球表面使用的极紫外波段成像仪器。极紫外相机安装在着陆器顶部，主要有30.4纳米的光学系统、单光子技术成像探测器和跟踪功能系统组成，用于在月球表面对地球的整个离子层进行成像观测，有助于了解太阳和地球的相互关系。

巡视器

全景相机

全景相机由中国科学院西安光学精密机械研究所研制，由两台功能、性能、接口完全一致的相机组成，安装在巡视器桅杆上，利用双目立体成像原理来获得场景的三维图像，用于巡视区地形地貌及撞击坑调查、月球地质构造解析等研究，同时兼顾对着陆器的彩色拍照，获得着陆器成功着陆后的工作状态。

测月雷达

测月雷达由中国科学院电子学研究所研制。测月雷达是一种高分辨率的超光态雷达，穿不透金属但能穿透物质，主要用于月壤厚度的测量以及月球月岩浅层结构的测量。它分两个波段，低频段与高频段。这两个频段稍稍有一点覆盖，互相还可以做验证。测月雷达的天线很特殊，低频段的天线是装在巡视器的侧面。高频段的天线是一个微带天线阵，装在月球车的肚子下面。

红外成像光谱仪

红外成像光谱仪由中国科学院上海技术物理研究所研制，位于五星红旗正下方。可以在红外和短波红外两个波段工作，其中红外波段可以非常精细地观测光谱，判断不同的物质。在月球车行进过程中，光谱仪能沿着行走方向成像，并探测月球表面物质的成分。

粒子激发X射线谱仪

粒子激发X射线谱仪是月球车机械臂上唯一的载荷，由中科院高能物理所研制。它通过携带的主动激发源激发月岩或月壤中的元素，并探测其产生的特征X射线，从而获得月球元素的种类及含量信息，为月球地质化学过程和形成演化研究提供重要依据。

技术创新

发射窗口

探月卫星的发射窗口选择受到多种因素的影响，包括地球、太阳和月球的运动规律，发射场的气候条件，以及火箭运载能力和卫星自身能力的限制等。嫦娥三号的发射目标是直接进入地月转移轨道，近地点高度为200公里，远地点高度约为38万公里。这与地球卫星的发射要求有所不同，对发射窗口的限制更为严格。为了确保嫦娥三号任务能够顺利登月，改进型火箭采用了多窗口、窄宽度和高精度的入轨发射方式，这在中国航天发射史上是首次尝试。这次任务选择了六个发射窗口，每天有两个窗口可供选择。第一个发射窗口的宽度为4分钟，如果未能在该窗口发射，就会进入第二个窗口，其宽度为1分钟。实现多窗口、窄宽度的发射非常具有挑战性。首先，对轨道设计等方面的要求非常高。六个窗口对应着六条完全不同的轨道，它们的入轨参数和整个飞行轨道都是完全不同的。同时，每次发射的窗口时间非常短，甚至可能是零窗口，需要迅速调整不同的弹道参数。

月球车机械臂

月球车的机械臂位于巡视器（月球车）的前方，平时收拢在巡视器国旗的下方，当发现科学目标时，机械臂会展开以进行月面探测。嫦娥三号着陆后，机械臂伸展安装在机械臂前端的粒子激发X谱仪，在两个月昼分别进行一次探测，获取月表组成元素的数据。由于需要克服月表的剧烈温差和月尘对机械臂关节的影响等一系列困难，机械臂的展开过程并不简单，主要有三个方面难点：首先是远距离控制，需要在距离地球38万公里的地方对机械臂进行控制；其次是控制的精度，机械臂的投放需要精确控制到距离目标毫米级的量级；第三是控制过程的复杂性，例如在机械臂投放过程中需要避开障碍物，不要碰到车体和地面。通过拥有中国自主知识产权的控制系统，科研人员实现了对于机械臂的毫米级精确控制。

热控系统

月球表面白昼时温度高达约120摄氏度，黑夜时低至约零下180摄氏度，月面上的昼、夜时长分别为地球时间14天左右。为了在极端环境下顺利完成任务，必须保证月球车在长时间极端温度条件下能够正常工作。为适应极端温差，设计人员在热控方面做了一些特殊设计。在设计月球车热控分系统时，利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素核源，可以使月球车在零下180摄氏度到零上120摄氏度的极限温度范围内正常工作。工作时的舱内温度可以控制在零下20至零上50摄氏度之间。

嫦娥三号的着陆器和巡视器外部都覆盖有多层隔热组件，这些隔热组件是双向隔热的，既能防止热量向内传递，也能防止热量向外泄漏。在月夜期间，同位素核源可以持续地给着陆器和巡视器提供必要的热量。在月昼时，月面温度高达约120摄氏度，需要通过散热来降温。在地面可以用冷却剂来散热，而在月面就只能用辐射方式散热。设计人员在探测器上设计特殊的散热面，这样就可以在月昼的时候把热量传出去。散热面的朝向、面积、表面特性都是经过专门的计算和设计，能适应落月以后的高温环境。

设计人员针对白昼需散热、月夜需保温的需求，通过可变导热管安装很好地解决了这个问题。在嫦娥三号整个地月转移、环月、落月过程中，为防止月球红外普照等因素引起的高温，可通过可变导热管把热量从设备传到散热面排散出去。而到了月夜，又可以把散热通道断开，同位素核源打开，从而满足保温要求。

月球着陆

由于月球上没有大气层，嫦娥三号无法使用降落伞来减速着陆器，只能用发动机喷气反推。研制人员研制了一种大推力的反推发动机，使着陆器能够通过发动机的喷气反推来减速，并逐渐靠近月球表面。此外，嫦娥三号还使用了激光测距仪和测速测距雷达来进行定位。由于无法精确获知月球表面的具体环境，因此嫦娥三号虽然由地面控制，但是着陆器也具备一定的自主避障功能。

虽然在减速和悬停过程中着陆器会进行判断和决策，但是悬停过程会消耗大量的推进剂，因此不能太长时间地悬停。为了着陆顺利，实验团队采取了多种办法，尽量精确地模拟月球环境。在着陆过程中，嫦娥三号着陆器会缓慢地降落，并且倾斜角度小于15度，研制人员新设计的"四脚着陆缓冲机构"会先接触到月球表面，完成着陆过程。这种机构可以减轻着陆冲击，保护着陆器的安全。

任务经过

准备工作

2013年9月12日，嫦娥三号通过空运运抵发射场，在卫星测试厂房完成了综合测试前总装及综合测试，着陆器、巡视器联合总装及测试；11月9日至17日，完成探测器加注及转场准备；11月18日，转至2号发射工位，完成了与火箭对接、加电测试、电池充电等工作。

2013年10月27日，承担嫦娥三号发射任务的长征三号乙遥二十三运载火箭从北京启程，搭乘专列前往西昌卫星发射中心。10月31日，运载火箭运抵发射场，在火箭测试厂房完成了产品恢复、单元仪器测试、火工品安装等工作。11月9日至10日，运载火箭转运至2号发射工位后，完成了分系统测试和四次综合测试等工作。

2013年11月30日，长征三号乙遥二十三运载火箭开始加注推进剂，预示火箭进入发射程序。

发射升空

2013年12月2日01时30分，嫦娥三号携带着中国首辆月球车玉兔在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭发射升空。

轨道变动

2013年12月2日15时50分左右，北京航天飞行控制中心成功实施对嫦娥三号地月转移轨道第一次中途修正。这次中途修正的目的是确保嫦娥三号探测器准确实施近月制动，顺利抵达环月轨道。此次轨道修正圆满达到预定目标，表明探测器控制与推进分系统工作正常，为嫦娥三号顺利开展后续飞行任务奠定了基础。

2013年12月6日17时53分，在北京航天飞行控制中心的精确控制下，嫦娥三号成功实施近月制动，顺利进入距月面平均高度约100千米的环月轨道。

2013年12月10日21时20分，在北京航天飞行控制中心的精确控制下，嫦娥三号在环月轨道成功实施变轨控制，顺利进入预定的月面着陆准备轨道。嫦娥三号由距月面平均高度约100千米的环月轨道，成功进入近月点高度约15千米、远月点高度约100千米的椭圆轨道。

离轨着陆

2013年12月14日20时30分许，北京航天飞行控制中心向嫦娥三号发送指令，调整姿态，收拢太阳翼，做好降落准备。21时00分，嫦娥三号的变推力发动机开机，探测器从月面上方约15千米处开始实施动力下降。21时05分，嫦娥三号降落相机开机并传回数据。通过地面接收和处理数据，预选的虹湾着陆区域清晰可见，其中散布着一些陨石坑和月岩。嫦娥三号避开沟壑，在变推力发动机的反推作用下，缓缓下降。在距月面约100米处，嫦娥三号相对月面速度接近为零，悬停在月球上空。嫦娥三号利用三维成像敏感器，对着陆区域仔细观测，寻找最佳着陆点。随后，嫦娥三号在发动机的托举下，开始平稳缓速下降。

2013年12月14日21时11分，嫦娥三号成功着陆在月球西经19.5度、北纬44.1度的虹湾以东区域，这是中国航天器首次着陆地外天体，也使中国成为继美国、苏联之后，第三个实现航天器着陆月球的国家。

2013年12月14日23时45分，地面科技人员对两器分离的实施条件，包括着陆点环境参数、设备状态、太阳入射角度等，进行了最终检查确认。随后，向嫦娥三号发送指令，两器分离开始。

2013年12月15日4时35分，嫦娥三号着陆器与巡视器分离，巡视器（玉兔号月球车）顺利驶抵月球表面。

科学探测

两器互拍

按照工程计划，嫦娥三号着陆器和月球车共进行A、B、C、D、E五次互拍。自2013年12月15日第一次互拍开始，月球车以60度为间隔绕着陆器行驶，分别在着陆器的正后方、侧方、正前方等五个位置进行了互拍。2013年12月22日凌晨，在地面的控制下，嫦娥三号着陆器与巡视器（玉兔号月球车）进行了第五次互拍，首次传回着陆器携带五星红旗的清晰全景照片，两器互拍任务圆满结束。随后，月球车离开着陆器，开始月面测试工作，并前往更远的区域继续月面巡视勘察。

第一月昼

自2013年12月14日嫦娥三号成功落月2013年12月26日，在12天的月昼工作期间，嫦娥三号着陆器和月球车圆满完成了两器互拍、月面行走、对地成像、中国空间站工程巡天望远镜观测和月面测试等任务，两器携带的8台有效载荷全部开机工作，获得了大量科学探测数据。

第二月昼

在自主唤醒后的第二个月昼期间，嫦娥三号探测器上的科学载荷开机工作，继续开展既定的科学探测任务。着陆器上的月基光学望远镜开展了观天探测，极紫外相机对地球等离子体层进行了观测，这两项均为世界上首次在月面开展的探测活动。此外，两器之间还首次开展了UHF通信试验。月球车在此期间进行了巡视，在多个探测点开展了相关探测工作，测月雷达、全景相机、粒子激发X射线谱仪、红外成像光谱仪均获得了大量科学探测数据。第二次月夜休眠前，受复杂月面环境的影响，月球车的机构控制出现异常。

第三月昼

在第三个月昼工作期间，嫦娥三号着陆器和巡视器（玉兔号月球车）的有效载荷重新启动，按计划展开科学探测任务。着陆器搭载的月基光学望远镜和极紫外相机正常运行。月基光学望远镜每天长时间进行天文观测，而月球的缓慢自转为连续观测宇宙天体提供了独特的环境条件。为了减少背景辐射的影响，极紫外相机在月昼前后的几天内对地球等离子层进行了观测。月球车在第三个月昼期间进行了定点探测任务。通过地面应用系统对返回的数据进行评估和分析，发现搭载的全景相机和测月雷达状态良好，红外成像光谱仪的红外波段数据正常。然而，之前出现的机构控制异常问题仍未解决。