|
嫦娥探月工程立项十八年来通过嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥五号T1、嫦娥五号共计4次任务圆满完成了探月一期、二期、三期工程目标，实现了既定的月球绕落回三步走战略，掌握了包括环月飞行、月面软着陆、月面巡视、月壤样品采集与封装、月面起飞、月球轨道无人自动交会对接与样品转移、月地转移、高速半弹道再入返回为代表的一系列月球探测工程能力，为后续进一步深入开展月球探测奠定了坚实基础。
如果用一个词来形容当前的嫦娥探月工程，那就是“兵强马壮”，我们不仅练就了高超的月球探测本领，更是磨练出了一支支人才队伍，他们是属于未来的火种。 站在新起点上，月球探测的下一步该如何走？
接下来我们将实施嫦娥探月四期工程，主要包括四次任务： 第一次是已经实施并正在进行的“嫦娥四号”月球背面探测，此次任务首先是掌握了复杂月面登陆技术，具备了全月面到达能力，玉兔二号月球车与着陆器在鹊桥中继星支持下已经在月球背面持续探测长达近三年时间，获得了以月球地质年龄更新、月球背面巡视区形貌和矿物组份研究、月球背面巡视区月表浅层结构研究、月面中子及辐射剂量、中性原子研究、月基低频射电天文观测与研究为代表的一系列探测成果；
第二次任务是发射嫦娥五号备份探测器“嫦娥六号”，目前该探测器已处于储存准备阶段，计划赴月球背面“南极-艾特肯盆地”执行取样返回任务；
第三次与第四次任务分别是，旨在深度探测月球南极的“嫦娥七号”与验证月面建站技术的“嫦娥八号”。 探月四期任务在工程上有一个显著的共性特征，那就是充分利用并依托探月一二三期任务获得的工程能力。 比如，嫦娥四号是建立在嫦娥三号基于机器视觉理念登月方案的基础之上，通过升级7500N变推力发动机以及部署鹊桥中继星，获得月背到达与探测能力。嫦娥六号则更是直接继承嫦娥五号的系列核心关键技术。
通俗地说，探月一期解决了如何绕月的问题，探月二期解决了如何登月的问题，探月三期解决了如何从月球返回的问题，探月四期则是要用好这三大工程能力，进而回答如何利用月球资源的问题。 在探月四期任务中，嫦娥七号是一座新的里程碑，它将登陆月球南极地区进行深度探测，同时也是一次对月球地形地貌、物质成分、空间环境等多个课题的综合探测任务。
与嫦娥四号、嫦娥六号一样，嫦娥七号也将充分利用嫦娥探月工程积累的工程能力，并在此基础上进行持续升级。 比如，依托长征五号大推力运载火箭出色的高轨运力，与嫦娥五号探测器规模相似，嫦娥七号也将是一款多器组合的8吨级大规模无人探测器，同时在既有机器视觉理念登月方案基础上，它将升级为“精准定点落月”，“飞跃探测器”的出现将是原始创新能力的一次华丽转身。
“寻找可利用资源”是地外天体探测任务持续发展的关键事项，受月球自转轴与地形影响，月球南北两极区域存在着众多太阳光无法照射的区域，被称为“永久阴影区”，根据以往绕月卫星及撞月探测数据间接证明，那些终年无光照的撞击坑中富含水冰资源，以及其他挥发物。 有水就能解决很多问题，比如可以转化为航天员生存所需的饮用水，也可以电解制氧，还能利用水制备火箭所需的推进剂，对于月球而言水冰可以称得上是“战略资源”。
除了水冰资源，月球极区与地球极区一样，也存在极昼极夜现象，比如月球南极点附近区域全年累计光照时间甚至可以长达300多天，全年月夜时长相较于其他地区要短得多，这意味着身处此处的探测器可以连续作业，探测效率更高。 因此世界上多个有实力的玩家都在瞄准月球极区，尤其是永久阴影区更多的月球南极。它们或跃跃欲试或摩拳擦掌，大洋彼岸NASA发起的“商业月球有效载荷服务计划”，目前已知至少有三至四次月球南极登陆任务。
虽然都想去月球南极，但真正要去却也面临很多难题。如果按照地球标准划分，南北纬66.5度以上的区域都可以称之为极区，但对于月球而言真正存在极昼极夜现象的纬度是南北纬86度以上。若以此为标准，NASA商业月球有效载荷服务计划打算去月球南极的任务中，至少有一半的登陆地点都不在月球南极区域。 比如，NASA艾姆斯研究中心抓总研制的毒蛇号月球车，其登陆地点在月球正面诺比尔撞击坑周边，那里的纬度是南纬85度附近。其登陆点无法继续向南移的主要困难来自于测控，由于没有中继星的支持，毒蛇号需要选择对地球直接可见的较低纬度区域，以便于与地球直接通信。
相较于毒蛇号月球车，嫦娥七号的月球南极探测则更显专业。 自去年以来，探月工程先后发布了《嫦娥七号和小行星探测任务科普试验载荷创意设计征集》与《关于开展探月工程四期嫦娥七号任务载荷竞争择优的通知》两份文件，表明嫦娥七号已经有了较为详细的方案论证，搭载的有效载荷竞标与研制工作也已经开始。按照计划，我们最晚将于2025年年底前实施嫦娥七号发射任务。 言归正传，下面就该嫦娥七号探测器正式登场了： 嫦娥七号探测器实际上由五台航天器组合合体而成，分别是：轨道器、着陆器、极区中继星、巡视器、飞跃探测器组合而成，发射质量高达8.2吨，整体长达8年的设计寿命相较于以往更是翻了好几番，而实际寿命则是只长不短。
“轨道器”是嫦娥七号组合体地月转移飞行的控制中枢，由于预选着陆区在月球南极，所以需要瞄准倾角90度的捕获轨道进行近月制动，到达绕月捕获轨道远月点后“中继星”率先分离并独自变轨至中继轨道，之后轨道器第二次近月制动将组合体变轨至详查轨道，它将对月球南极预选着陆区进行高分辨率成像作业，以服务后续着陆器组合体的登月行动。 嫦娥七号轨道器将继承嫦娥五号轨道器的设计方案，后者有着显著的轻量化设计优势，应用了大承载复杂构型轻量化结构、多冗余路径复合传力结构、大承载复合材料一体成型插层变厚度承力球冠技术等七项创新技术，结构质量比达到9.6%，轨道器使用的表面张力贮箱也实现了30%的减重，轨道器不仅身轻如燕更能四两拨千斤，在干重1吨的情况下，其极限承载力却能够高达30吨。
在嫦娥五号任务中，先后完成地月转移、近月制动、环月对接、月地转移入射、近地变轨等操作后，轨道器仍有200公斤推进剂节余，在此基础上又拓展了奔赴日地拉格朗日L1点的探测任务，当前嫦娥五号轨道器又回到地月空间执行拓展任务。
如此精妙高效的轻量化设计在嫦娥七号任务中若不加以充分利用，那简直就是暴殄天物。因此嫦娥七号轨道器将不再是单纯的“摆渡车”，而将摇身一变成为一颗“高价值绕月遥感探测卫星”。 当前活跃在环月轨道上的遥感卫星有两颗，一颗是NASA部署的LRO月球勘测轨道器，另一颗是月船-2号轨道器，它们都配置有高分辨率相机。 LRO配置的LROC窄视场相机100公里高度月面成像分辨率是0.5米，同等条件下月船-2号轨道器高分相机分辨率可达0.32米。
服务地外天体遥感探测任务的光学高分辨率相机与服务地球的遥感高分相机相比，既有相同之处，也有工程总体约束的不同。 通常情况下地外天体遥感卫星需要携带大量推进剂以便进行捕获制动，同时还要携带大量的其他类型探测载荷，因此留给高分相机的资源就相对少得多，这就要求高分相机有更小的尺寸、更轻的重量。
我国地外天体高分相机杰出代表是服务火星全球遥感探测任务的天问一号轨道器配置的火星高分相机，它可以在距离火面265公里的高度上获取优于0.5米的高分辨率全色图像，这意味着如果将该相机同步移植到嫦娥七号轨道器上将拥有更高的分辨率，因为环月遥感成像高度更低（100公里），且没有大气干扰。
《嫦娥七号竞争择优载荷功能指标要求》显示，工程总体给出的月球高分相机指标是，轨道高度100公里月面成像分辨率0.5米（竞标指标并不是最终指标，而是最低指标，实际中标产品分辨率通常会高于竞标指标，参见下文提及的“月球微波成像雷达”）。 同时要求成像幅宽大于等于18公里，该指标决定了高分相机的作业效率（同等成像分辨率与时间约束条件下，幅宽越大获取的月面成像产品越多），与之对比NASA的LROC高分相机成像幅宽是5公里，月船二号轨道器OHRC高分相机幅宽则仅有3公里。
除了光学遥感，嫦娥七号轨道器更为出色的是“月球微波成像雷达”，此台载荷已经完成竞标工作，这是一款具有国际领先水平的合成孔径雷达成像设备。 在地球近地轨道，合成孔径雷达对地遥感可以穿云破雾不惧黑夜环境，在月球它同样有得天独厚的优势。“月球微波成像雷达”采用高分辨率、双频段、多极化设计，最高分辨率优于0.3米（工程总体给出的竞标指标是1米），它可以对月球南北两极永久阴影区撞击坑进行高分辨率雷达成像，好比是穿越黑暗的火眼金睛。
除此之外，嫦娥七号轨道器还将配置可获取高分辨率可见-红外-热红外光谱图像的“宽谱段红外光谱成像分析仪”，以及获取月面快中子、超热中子、热中子通量、月面伽玛射线能谱的“月球中子伽玛谱仪”，还有与巡视器月表磁场测量仪联合作业，获取月球磁场和分布特征等探测数据，为反演月球内部结构和月球空间环境提供科学依据的“环月磁强计”。“激光通信试验载荷”也将验证地月空间激光高速通信链路，为月面科研站的大流量数据传输探索新的通信手段，同时也可以作为遥测遥控的备份链路。 未来一段时期，嫦娥七号轨道器将是人类部署月球功能最为强大且齐全的“环月遥感卫星”，其获取的各项探测数据将有效支撑后续一系列无人与有人月球探测。 在环月详查轨道完成对月球南极预选着陆区成像作业后，嫦娥七号组合体将择机降轨，随后着陆器组合体与轨道器分离，开始准备登陆月球南极预选着陆区。 “着陆器组合体”由三个探测器组合而成，分别是着陆器、巡视器、飞跃探测器。
着陆器与巡视器的构型将充分借鉴以往任务设计经验，并针对月球南极着陆区环境进行适应性改进，比如针对太阳高度角低的问题，两器太阳能电池片的布放将有大的变化。由于中继卫星与飞跃探测器占用了着陆器顶部空间，巡视器将改为侧挂方式搭载，这就需要针对长征五号火箭整流罩包络尺寸约束进行优化设计。 摆在着陆器组合体面前的第一个工程难题就是验证月面定点着陆技术，因为其着陆区选择要求既要有长期连续光照，又要距离永久阴影区较近，多重约束条件下导致可选择的着陆区面积非常狭小，而接下来月面科研站建设也离不开定点着陆技术。
回顾嫦娥探月工程以往着陆任务，嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号连续三次成功软着陆月面，登月成功率100%，具备了根据探测需求任意选择着陆区的“全月面到达能力”，上述着陆器均使用自主创新的基于机器视觉理念的相对位姿导航方案，解决了自主登月的安全性问题，但是着陆精度并不能满足定点着陆要求。 实现定点着陆无外乎两种方案，一种是事先在月面放置无线电信标，着陆器在着陆过程中与信标通信，实时获取相对信标的三维坐标；另一种就是基于图像匹配的相对导航，着陆器计算机预先储存航迹下方月面图像信息，着陆过程中光学相机成像，并与预先储存图像进行匹配预报落点偏差，进而控制发动机推力实现偏差修正。
对于嫦娥七号着陆器而言更适合采用“图像匹配的相对导航方案”实现定点着陆，同时结合基于机器视觉理念的相对位姿导航方案，满足既精准又安全的着陆需求。后续可引入无线电信标导航方案进行定点着陆，进而满足月面科研站建站需求。 嫦娥二号获取的7米分辨率全月图，以及嫦娥七号轨道器获取的预选着陆区高分影像，都可以助力实现“图像匹配相对导航+相对位姿导航”。
着陆器组合体登陆月球南极过程中离不开中继星的支持，嫦娥四号任务中在地月拉格朗日L2点Hola轨道部署的鹊桥中继卫星对月球南极预选着陆区可视性并不好，且通信距离远影响通信速率，有效测控时间极为短暂，所以嫦娥七号着陆器组合体难以依托鹊桥中继星进行测控。
因此，才有了前文提及的服务月球南极探测的新中继星，该中继星与嫦娥七号分离后，自主变轨至周期12小时的中继轨道，这是一条环月大椭圆倾斜冻结轨道，抵消了摄动影响，使得中继星不需要消耗推进剂也可以保持轨道，从而确保了为期8年的设计寿命（实际寿命更长）。
嫦娥七号中继星最多可同时服务10个月面用户航天器，可有效支撑后续月面科研站建设与运营任务。
中继轨道远月点在月球南极上空，三分之二轨道周期均对着陆器组合体可见，每圈可用测控时间约8小时，如果需要全天连续覆盖测控，只需再发射一颗中继星即可实现。（除中继测控任务外，中继星还将搭载“VLBI试验系统”与“阵列中性原子成像仪”进行相关科学研究工作）
嫦娥七号着陆器组合体需要选择在中继星测控弧段内实施登月，这一技术早在嫦娥四号任务中就已经实现，地面深空测控网可近实时接收着陆器组合体通过中继星回传的相关测控数据。 在历经主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段、着陆缓冲段共计7个时序阶段后，嫦娥七号着陆器组合体软着陆于月球南极预选着陆区。
话说，预选着陆区具体会在月球南极哪里呢？ 如前文所述，着陆区需要选择有连续光照，且离永久阴影区较近的区域。根据这些约束条件，月球南极符合登月条件的区域基本分布在沙克尔顿、霍沃思、舒梅克、坎布斯、德·杰拉许、斯维德鲁普这六个撞击坑边缘及连接地带。
预选着陆区全年光照率基本都在80%以上，话说既然有连续光照的极昼现象，那么会不会存在连续无光照的极夜现象？答案是存在的，但相较于连续光照天数，连续无光照的时间要短得多，通常在3至6天范围内，其余时间则是在阴影与光照之间交替。 虽然连续无光照时间较短，但对于航天器而言仍然是难以承受的极低温恶劣工况，因此有必要额外配置热源以实现热平衡。比如NASA抓总研制的毒蛇号月球车，由于没有配置额外热源，其在月夜环境中生存时间无法超过50个小时，以致于最终寿命很难超过一年（该月球车登陆纬度较低，着陆区连续无光照的月夜时间更长）。
目前经过实际工程应用验证的额外热源无外乎也是两种方案，一种是类似玉兔二号、好奇号、毅力号这些星球车配置的同位素热源，再就是类似祝融号火星车配置的相变储能集热窗。
受月球车尺寸，以及月球南极太阳入射角影响，嫦娥七号月球车并不适合采用类似祝融号火星车的相变储能方案，因此最优选择仍然是同位素热源。 月球南极着陆区独特的光照条件将对嫦娥七号着陆器与巡视器设计产生较大影响，比如着陆器与巡视器的太阳翼需要尽可能垂直布放，以便适应较低的太阳高度角。
嫦娥七号着陆器组合体成功着陆预选着陆区后，巡视器将沿着展开的坡道驶离，该月球车届时也许会命名为“玉兔三号”，其总体规模将与玉兔二号大致相当。近年来，我国航天在星球车领域的诸多技术突破也可能在玉兔三号（为便于行文，后文皆称此名）身上有所体现。 比如祝融号火星车首创基于主动悬架设计的高机动性行驶机构，NASA毒蛇号月球车就借鉴了这一设计，相信玉兔三号也会继承，以便适应复杂月面行驶需要。 《嫦娥七号竞争择优载荷功能指标要求》披露，玉兔三号至少会携带3台科学载荷，分别是拉曼光谱仪、测月雷达、月表磁场测量仪。与玉兔号、玉兔二号两辆月球车相比，从搭载的科学载荷看，玉兔三号是被寄予厚望的。
“测月雷达”基本是三辆月球车的标配，被誉为“地外天体透视眼”，是我国独创的雷达探测设备，它可以通过电磁波对月球浅层地质结构进行探测。 玉兔三号月球车测月雷达的性能将再上一个大台阶，高频通道探测深度超过40米，低频通道探测深度超过400米，将在国际上首次对月球南极着陆区的月壤和次表层地质结构进行高分辨率探测。 “拉曼光谱仪”取代了玉兔二号月球车配置的红外成像光谱仪，毅力号火星车也配置有同类型载荷，具有光谱探测范围广、作业效率高的独特优势。
“月表磁场测量仪”用于获取月球表面残余磁场及其梯度分布规律，可以与轨道器环月磁强计联合工作。 嫦娥七号着陆器将与前辈嫦娥三号、嫦娥四号的两台着陆器一样，不仅承担登月使命，更肩负有科学探测任务，为此也配置了4台科学载荷，分别是月壤挥发分测量仪、月表环境探测系统、极紫外相机、月震仪。 极紫外相机将是同类设备的第二次登月，此前嫦娥三号着陆器也曾配置，在嫦娥七号任务中该设备综合性能将有大幅升级，主要用于获取地球等离子体层形态及近地空间氧离子分布特性的探测数据，为研究地球等离子体层与电离层耦合机制、太阳风和磁层相互作用过程提供科学依据。
月震仪对于嫦娥探月工程而言是比较新颖的科学载荷，它也是人类自阿波罗载人登月工程之后近半个世纪以来部署的第一台月震仪，用于测量月球表面震动状态，为研究月震形成的物理机制和月球内部圈层结构等提供科学依据。 阿波罗登月工程由宇航员操作在月面安装了4台月震仪，由于当时仪器精度限制，导致有很多悬而未决的问题争论至今，嫦娥七号月震仪有望终结这一局面。同时，月震监测对月面科研站的运行安全以及未来驻扎月面的航天员的生命安全也至关重要，这既是科学探测所需也是现实所需。
嫦娥七号月震仪随着陆器落月后将择机释放，并自主完成在月面的安装工作，具备月夜保温功能，寿命大于8年。 作为国际月球科研站基本型组成单元，嫦娥七号很多工作都是围绕建站工作进行，比如着陆器搭载的月表环境探测系统，将开展月表带电粒子、月尘及电磁场探测，为月球科研站的空间环境评估及保障提供科学数据。 着陆器除了释放月球车与月震仪，还将释放一个独立的飞行器“飞跃探测器”，它将开创月球永久阴影区水冰探测的新局面。 曾几何时，有网友看到登陆月球表面的嫦娥三号与嫦娥四号着陆器，一直有个疑问，就是我们的着陆器能不能着陆之后再起飞至其他位置进行探测？
事实上这些着陆器是做不到的，就硬件来看，首先是推进剂余量不足以支持着陆器再进行大范围转移飞行。另外，着陆腿的缓冲机构设计是一次性的，难以支持二次或多次着陆缓冲要求。 虽然在过去的任务中无法实现网友们的这一愿望，但该设想在理论上是可行的。嫦娥七号飞跃探测器就是一款将着陆器与巡视器高度融合的创新产物，该探测器配置有独立飞控系统，以及支持飞行所需的动力系统、着陆系统，可以实现连续多次起飞与着陆，此操作被称为“反复起飞与着陆能力”。
它不仅可以反复起飞与着陆，在着陆之后还能通过着陆腿实现月面行走，与其说它是飞跃探测器，其实倒不如说是一款有着多足特征具备飞行能力的机器人。目前相关研究机构已经完成了四足与六足飞跃探测器的方案设计，并进行了多轮地面验证测试。
飞跃探测器除着陆与行走机构外，整体呈棱台结构，设计目的也是为了让太阳能电池适应月球极区太阳光的低入射角与多变的方位角。在阳照区完成充电后，它将直接飞入有永久阴影区的撞击坑进行探测。 在此之前嫦娥七号轨道器配置的合成孔径雷达将对永久阴影区进行高分辨成像，从而辅助飞跃探测器规划飞行路径，优于0.3米分辨率的高分辨率图像可以直接辨别永久阴影区中对飞行与着陆构成威胁的障碍物。
飞跃探测器抵达永久阴影区着陆后，其搭载的月壤水分子分析仪将获取水冰存在与否的直接证据，完成探测后再飞离永久阴影区至阳照区充电，以此循环往复。 与嫦娥七号其他成员长达8年的设计寿命不同，飞跃探测器设计寿命是6个月，这表明它没有配置适应月夜环境的热源装置，是根据连续光照区时长约束进行的寿命设计。有人会问，月球极区连续光照区不都是200天以上吗，怎么才6个月？ 这就与前文提到的设计寿命概念有关，“设计寿命”指的是最低预期寿命，实际寿命一般会在允许的工况条件下延长。比如嫦娥三号着陆器设计寿命是一年，实际寿命却已经超过7年。对于飞跃探测器而言，实际寿命超过6个月的可能同样存在，但就像NASA毒蛇号月球车没有配置月夜环境下使用的热源装置一样，它们都无法抵御月夜极低温环境的长时间侵袭。
飞跃探测器的首开先河证明了一条规律：创新从来都不是一蹴而就，这是一个量的积累触发质变的过程。 嫦娥七号的惊喜远不止如此，前面提到的月震仪它不仅可以监测月球自然震动，还肩负有监测人工制造月震的使命。 人工月震？是的，你没有听错。 嫦娥七号计划携带“月壤侵切式勘察器”，该装置将在距离着陆器约500至1000米距离进行月壤侵切实验，侵切深度约1.5米，该装置基于分布式探测功能直接开展月壤剖面物性测量，为研究月壤本构特征和反演月壤水冰含量提供数据支撑，着陆器部署的月震仪将协同记录该装置制造的人工月震。
嫦娥七号一系列的功能创新真可谓是眼花缭乱，其实它主要围绕月球地质信息、月球空间环境、关键资源勘查等科学探测任务进行，并在上述科学任务牵引下突破月球极区定点着陆、月球极区精细勘察、永久阴影区到达与原位探测、极端环境下系统寿命与可靠性验证等工程难题。
嫦娥五号取样返回任务是嫦娥探月工程绕落回三步走战略的收官之作，而绕落回三步走其实属于嫦娥探月工程“探、登、驻”三大阶段的第一阶段。 那么，第二阶段的“登”，又该如何理解呢？ “登”字实际上有双重含义，载人登月能力的突破是其中一重含义，另外一方面指的是在月面开展更大规模的科学探测。
两重含义是相辅相成的关系，以嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号为代表的嫦娥探月四期工程则属于“登”的范畴，它们所探索与构建的无人月面科研站，以及获取的探测数据将有效支撑载人登月能力的突破。 完成月面科研站建设与突破载人登月能力，将视为完成“探、登、驻”三大阶段第二阶段任务的标志。
在此基础上，后续再建设更大规模有人照料的月面科研站，就可以实现第三阶段“驻”的目标。 我们虽然没有火急火燎的阿尔忒弥斯计划，然而步步为营稳扎稳打的嫦娥探月工程将更具韧性。 |
|
|
