我国政府在决定实施“嫦娥工程”的时候，确定了“三步走”的发展思路，即整个工程分为三期：近期目标是在2000年～2007年发射“嫦娥一号”卫星（简称一期工程）；中期目标是2012年左右实施月球软着陆探测和自动巡视堪察（简称二期工程）；远期目标是大约在2017年前后实施月球样品自动采样返回（简称三期工程）。

 

月球软着陆探测是一种亲临其境的探测方式，在探测深度和精度方面远比用卫星环月探测要高得多，两者数据可以互相补充、互相验证。月球软着陆探测与载人着陆探测相比，在技术难度、成本和风险上要低得多。因此，在人类对月球、行星及其卫星的探测中，软着陆探测方式占据了重要的地位。

 

国外软着陆探测经历了直接着陆、环绕后着陆、短时间工作、长时间工作、就位探测巡视探测等多个发展阶段。由于月球的轨道、重力场、大气、表面地形地貌地质条件、温度和光照条件等特点，使月球软着陆探测具有很多技术难点，在技术上是不断发展进步的。

 

据了解，就在“嫦娥工程”一期工程紧锣密鼓实施的时候，我国航天专家就已经开始着手开展二、三期工程的方案论证和关键技术的预先研究工作，初步提出了相应的工程目标和科学目标，取得了大量的研究成果。

 

 

根据国防科工委的初步计划，我国初步定于在2012年左右发射“嫦娥二号”月球探测卫星，实施“嫦娥工程”二期工程。届时，卫星将携带月球软着陆器，在月球上软着陆后，向月球释放一台月面巡视探测器（月球车），进行首次月球软着陆和自动巡视勘测。通过这一工程的开展，试验月球软着陆技术，通过月面自动巡视探测器进行高分辨率摄影，获取月面环境、月形、月岩的化学成分与物理性质等数据，供科学研究和为将来月球基地的选址提供数据。

 

一、“嫦娥工程”二期工程担负什么任务？

 

我国“嫦娥工程”二期工程既是一期工程的延伸与拓展，更是一期工程的深化与跨越。通过二期工程的开展，不仅可以获得高精度的新的月球探测数据，增加我国科学工作者对月球的进一步了解，取得更加丰硕的月球探测技术成果，推动我国对月球科学研究的进一步深化，获得一批自主创新的月球科研成果，而且可以使我国月球探测相关技术实现新的突破，使我国掌握开展深空探测所需要的一系列关键技术，建立起较为完整配套的深空探测工程体系，建立设计、生产、试验系统和研究、应用体系，培养一支高素质的人才队伍，为进一步的深空探测科学研究和航天活动奠定坚实的技术、物质和人才基础，带动相关产业发展并促进科学技术进步。因此，我国月球探测二期工程的开展，无论对于促进月球探测科学研究的深入还是促进深空探测技术的发展，都具有十分重要的科学和应用意义。

 

特别需要指出的是，我国通过月球探测二期工程的开展，将产生大量的技术创新成果，这些新技术不仅可以应用于其他航天工程，还可直接二次开发应用于其他民用领域，包括：增强天文观测能力；提高我国自动化智能机器人水平；发展可应用于医学、工业制造、国防工业的人工智能和自主控制技术；促进微电子、微机械的发展。这些技术创新将促进我国工业技术创新和国民经济发展，为建设创新型国家提供技术手段。

 

二、“嫦娥工程”二期工程科学目标

 

我国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士在阐述月球探测二期工程科学目标的时候指出：我国月球探测二期工程将是一期工程的跨越式发展，探测对象由“面”向区域性的“点、面、内部”一体化的综合性探测，探测方式是月球软着陆探测和月面巡视勘察。

 

据有关资料显示，1959年至1974年，美国和前苏联先后进行了16次不载人的月面软着陆就位探测，其中成功实现月面软着陆就位探测但不进行月面巡视探测有7次，前苏联2次，美国5次；前苏联还成功实现了2次不载人月球车月面巡视勘察。前苏联与美国的月球软着陆与巡视勘察的科学目标可归纳为以下几个方面：着陆区近距离、高精度摄影，研究月面形貌和地质构造特征；月壤物质成分分析与月壤物理力学参数测定；月球表面空间辐射环境探测；月球软着陆与月球车及相关关键探测技术的研究。

 

通过对美国与苏联在这一阶段进行月面软着陆探测科学目标的分析，我国科学家认为，前苏联和美国的月球软着陆就位探测与月球车巡视勘察存在以下不足之处：基本上是为月面软着陆、月球车巡视勘察和取样返回的纯工程目标提供科学资料；月球软着陆就位探测与月球车巡视勘察是各自独立开展，二者没有有机结合，因而月球车勘察的科学目标与软着陆的探测目标十分雷同。

 

在综合分析与总结美国与前苏联月球软着陆就位探测，与月球车巡视勘察的科学目标、有效载荷配置、关键技术与研究成果的基础上，进一步结合月球探测的发展趋势与我国的科技能力，我国科学家建议月球软着陆就位探测和月球车巡视勘察总体科学目标的优选原则为：有限目标、重点突破、承前继后，循序渐进、持续发展；科学上有创新，技术上有突破，探测上有特色，成果上力争领先。

 

我国科学家认为，我国月球探测二期工程将通过对着陆区和巡视区的区域性精细探测，实现对月球的地形地貌、地质构造、物质成分、矿产与能源等资源、日－地－月空间环境与月基天文观测等综合科学探测任务。我国科学家在广泛论证调研的基础上，初步提出了二期实施“月球软着陆就位探测和月球车巡视勘察”的四项总体科学目标：

 

1.月球形貌与地质构造调查

 

实施着陆区和巡视区月表形貌和地质构造调查，通过调查，获得月表形貌、地质构造、月壳结构、撞击坑和月壤厚度的数据，建立区域月貌与地质演化模式，深化月球探测一期工程的探测与研究成果。探测内容主要包括探测区的月表形貌探测与地质构造分析、探测区撞击坑的调查与研究、探测区的月壤特性、厚度与月壳浅层结构探测等三个方面。

 

2.月表物质成分和可利用资源调查

 

月球物质成分是了解月球演化历史的关键。同地球科学一样，月球科学最为基础的工作是获取月球的化学成分、矿物组成、岩石类型及其分布规律。月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源，开发和利用月球资源是人力进行月球探测的源动力之一。探测内容主要包括探测区矿物组成与化学成分的就位分析，和探测区矿产和能源资源调查等。

 

3.月球内部的结构研究

 

月球内部结构是研究月球形成和演化历史的基础。探测月震和小天体引起的月震波可以反演月球的内部结构。月球轨道参数的精确测量是研究月球动力学的基本手段，通过月球动力学模型的研究可以了解月球的内部结构。探测内容主要包括月震与小天体撞击的记录与研究、月球轨道参数的精确测量与月球动力学研究等。

 

4.日－地－月空间环境探测与月基天文观测

 

日－地－月空间环境是影响人类生存与发展的重要因素。太阳耀斑和日冕物质抛射会释放出巨大的能量和物质，制约着地球空间的月表环境，对人类健康和航天活动造成重要影响。在月球表面进行日－地－月空间环境探测和月基光学天文观测，具有干扰小、无屏蔽、可长时间连续观测等优势。由于地球空间环境的影响，甚低频段的探测一直在地面无法实现，月球表面是科学家开展甚低频射电探测梦寐以求的场所。探测内容主要包括地球等离子层的极紫外探测与研究、日地空间和太阳系外天体的甚低频干涉观测与研究、太阳系外行星系统、星震和活动星系核的光学观测与研究、月表空间环境探测与研究等内容。

 

我国月球探测首席科学家欧阳自远院士认为，通过对这些目标的分析可以看到，我国科学家提出的科学目标具有如下的特点：（1）选择与以往不同区域着陆；（2）月面软着陆就位探测与月球车巡视勘察二者同时进行并有机结合，将获得比以前更有意义的探测成果；（3）在国际上首次利用测月雷达实测月壤厚度（1～30m）和月壳岩石结构(1～3km)；（4）在国际上首次在软着陆过程中利用激光反射器精确测定地月间距离，进行月球动力学研究；（5）首次在月球上采用极紫外相机观测太阳活动和地磁扰动对地球空间等离子层极紫外辐射的影响，研究等离子层在空间天气过程中的作用；（6）在国际上首次进行月基光学天文观测，研究太阳系外行星系统、星震和活动星系核。

 

三、月球探测二期工程的应用目标

 

月球探测的应用目标是指月球探测产生的科学成果、探测数据和创新技术，应用于工程规定之外的领域，所产生的社会和经济效益。

 

1. 月球探测是深空探测的起点，在现有人造地球卫星航天工程系统的基础上，构建的月球探测航天工程体系，将来可以应用于火星探测和其它深空探测任务。

 

2. 工程将产生大量科学数据，除了完成工程规定的科学目标研究外，还可以进一步开发和挖掘，产生更多的应用成果。月球探测产生的数据和科学成果，可以带动相关学科的发展。

 

3. 月球蕴藏着大量的有用元素，具有巨大的开发应用前景；月表环境可用于试验和生产地面环境中无法获得的新材料、新器件和生物制品；月球表面环境非常适合于天文观测和对地观测。月球探测二期工程的实施将促进我国对月球资源、能源、空间环境的开发利用。

 

四、二期工程拟携带的有效载荷

 

我国有关领域科学家认为，月球探测二期工程根据完成上述月球探测的科学目标，将携带20种左右有效载荷。

 

软着陆平台配置的有效载荷主要为：全色摄像/照相机、激光反射器、粒子激发X射线谱仪、红外光谱仪、光学天文望远镜、极紫外相机、月震仪、空间环境探测器、降落相机和机械臂等。

 

月球车配置的有效载荷为：立体成像系统、测月雷达、粒子激发X射线谱仪、红外光谱仪、质谱仪和机械臂等。

 

五、月球探测二期工程将突破哪些关键技术？

 

与月球探测一期工程实施探测器绕月探测所不同的是，二期工程最关键的是要把探测器直接送到月球上，对月球进行直接的、零距离的触摸。通过二期工程的开展，我国将突破以下关键技术：

 

一是突破探测器在月球表面上软着陆和对月球表面自动巡视探测的相关技术。这一技术是我国过去从来没有进行过的，比如：探测器在月球表面上软着陆技术、自动巡视技术、遥操作和遥控分析技术、月球特殊环境下探测器的热控与电源技术等。

 

二是研制能够分别进行就位探测、巡视探测和环月探测的着陆探测器、巡视探测器，并根据需要组成探测器系统，开展预定的科学探测活动。

 

三是从工程技术实现的角度来看，要突破以下几项关键技术：（1）着陆轨道设计与制导、导航控制技术；（2）着陆缓冲技术；（3）月面探测的测控通信技术；（4）月面工作的热控与电源技术。

 

专家认为，为实现软着陆探测，主要需要突破轨道设计、制导导航与控制技术和推进技术。我国月球软着陆方式建议采用先环月再着陆的飞行程序。这就要求对每个轨道飞行段，需要进行详细的轨道参数设计，选择轨道机动策略和发射及制动窗口，以保证在预定着陆区着陆。着陆的动力下降段是一段基于导航敏感器的自主控制过程，需制导导航与控制系统自主完成对着陆器与月球的距离、下降速度、着陆器姿态等的测量，并进行着陆区的地形识别，保证着陆的安全与准确。在此过程中，推进系统需要提供可变的推力，可以使用可变推力发动机或多发动机组合控制来实现。

 

着陆器在距月面一定高度时需关闭制动发动机以避免火焰直接喷射到月壤上。因此，着陆器在接触月面时仍然具有1-2m/s的相对速度，必须依靠缓冲系统来吸收冲击能量，并保持着陆姿态的稳定。缓冲可分为气囊式和着陆机构式两类，专家分析研究后认为，机构式更适合我国软着陆探测。

 

在深空探测任务中，通信保障的主要困难来自于巨大的距离扩散损耗、长时间的延迟及低覆盖率等问题。在月球探测中要解决这些问题，主要采取的技术措施有：提高星上测控通信设备的功率、提高天线增益、提高编码增益；改造现有的测控通信网络、提高地面站的上行功率、增加地面天线的尺寸、提高天线增益等方式。同时，着陆探测器和巡视探测器间的通信将面临着没有电离层条件下的超视距通信问题。月面的电特性、电波在月面的传输特性等都是有待研究的新问题。

 

由于月球表面没有大气层，以及月球自转缓慢，月球的日照面和阴影面温度相差很大。根据国外数据，月球表面极端高温可达+130℃，极端低温可达-150℃。如何在这样恶劣的外部环境中保证各种设备能够正常的工作，这对于月球着陆探测器的热设计是极大的挑战。通常的航天器热控制系统和电源系统很难满足月面软着陆探测的需要。国际上在深空探测中广泛采用了同位素温差电源技术。同位素温差电源技术既是一种电源技术，也是一种热控制手段。其实质是用同位素衰变产生的热量来解决低温环境下的热控制问题，用产生的电能解决部分仪器的功率需求。

 

四是为保证我国月球探测二期工程的实施，必须建立月球探测器系统、深空测控网系统、地面应用和数据处理系统、运载火箭系统和发射场系统。这5大系统需要依据月球探测二期工程各阶段的任务要求分工合作，共同完成探测任务，并为月球探测后续工程及其深空探测活动奠定基础。

 

 

我国月球探测二期工程怎样实施？在“嫦娥一号”还没有上天的时候，国内的许多业内专家就开始了论证工作。为了更好地验证我国月球探测技术的可靠性，使完成后续任务的步子走得更加稳当一些，获得更多的科学考察成果，一些航天专家建议我国月球探测二期工程应该分为两个阶段来实施。具体是：

 

第一阶段：2012年前后发射一颗月球探测卫星，携带探测器实施首次月球软着陆，其目的是掌握地球至月球转移轨道发射技术，突破月球软着陆、月面巡视和遥操作技术、深空测控通信技术、轻小型化技术，掌握科学探测多源数据处理、解译与应用技术，试验月面巡视探测器（月球车）月夜生存技术。

 

第二阶段：2015年前后再发射一颗月球探测卫星，携带探测器，实施第二次月球软着陆，与第一次在月面上软着陆所不同的是，这一次将改变探测器着陆地点，增加月面探测的覆盖范围，掌握复杂地形区域的月面软着陆和自动巡视勘探、月球车月夜生存技术，试验月面采样技术，为我国月球探测三期工程做准备。

 

第一阶段的具体内容是：在2012年实现探测器首次月面软着陆之前，完成着陆探测器和月面巡视探测器（月球车）的研制，卫星采用“长征三号”B火箭，在西昌卫星发射中心发射，直接送入地球至月球转移轨道，经过中途修正和近月制动后，进入200km高度的极月圆轨道；选择适当的时机在预定着陆区域实施首次月面软着陆，在月面展开就位探测，同时释放月球车开展月面巡视勘察。着陆探测器和月球车在月面工作时间为3个月。整个任务期间将新建深空探测网和USB系统提供测控支持，地面应用系统负责接收和解译科学探测数据，完成预定任务。

 

 

我国月球探测二期工程是一期工程的深化和突破，对于这一新的领域，需要突破的环节很多，核心是能力建设。在继承一期工程取得的技术成果的基础上，根据二期工程的科学目标，专家建议，需要突破的关键技术主要有：

 

1. 探测器系统总体方案设计技术

 

我国月球探测二期工程的探测器相对于以往的卫星、飞船等是完全新型的航天器。与“嫦娥一号”相比，其设计思路也将有很大的不同，核心任务是实现探测设备登上月球，并进行科学探测。主要工程技术目标是突破月球软着陆、月球车及其它相关技术，研制和发射月球软着陆探测器和月球车，建立月球探测航天工程基本系统。月球软着陆探测与以往的地球轨道返回着陆有着本质的不同和很大技术难点。专家设想，我国的月球软着陆探测将由着陆器和探测器两部分，或者再加上轨道器三个部分组成，相互配合完成探测任务。同时，探测器系统承载的科学仪器种类繁多，工作模式需相互切换，对探测器系统的总体设计提出了新的要求；探测器系统经历运载火箭发射段和着陆冲击段两段力学环境和月面复杂的空间与地理条件，比以往的航天器面临更多的考验。探测器系统的组成、轨道设计与优化、总体构形设计、主要技术指标确定、各分系统技术要求与技术指标的匹配性分析等，都是必须解决的关键技术。

 

2. 月面巡视探测器（月球车）研制技术

 

月球车是一种能够在月球表面移动，完成探测、采样、运载等任务的月球探测器。利用月球车对月面进行就位探测，是我国月球探测二期工程的重头戏，月球车虽小，却五脏具全，技术含量非常高。因此，需要突破月球车总体方案设计与优化、月球车移动技术、定位、路径规划与控制等大量的新技术。

 

3. 运载火箭发射技术

 

由于月球软着陆探测任务具有发射要求速度增量大、入轨精度要求高、发射窗口较小、发射轨道需随发射时间而改变等特点，因此，对运载火箭发射技术而言，面临着提高运载能力、入轨精度、提高发射适应性等关键技术问题。早日突破新型运载火箭关键技术，是实施我国月球探测工程顺利进行的重要保证。

 

4. 测控通信技术

 

在40多年的时间内，除最远的行星——冥王星外，人类的视觉借助航天技术已延伸到太阳系的所有行星及其部分卫星。深空探测器的跟踪测量技术、深空通信技术也随之不断发展。目前，美国、俄罗斯、日本、欧空局等国家和组织建有深空测控通信站，并开展了一系列卓有成效的深空探测活动。

 

深空测控通信系统是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键可贵等一系列原因，使得深空测控通信实现起来更为困难，无论对星上设备还是对地面设备等都带来新的挑战。

 

专家认为，为完成软着陆探测任务，地面应建立相应的深空测控网。其中的大口径多频段高增益天线站技术，测控通信站的规模和布局、深空测控系统采用的频段、信号形式和调制方式、测量精度更高的同波束干涉技术、差分单向测距测量技术、实时性更强的高精度连接单元干涉技术、天基深空数据中继的组网技术、针对各种深空测控体制的不同测量数据类型的系统误差修正技术等都是需解决的关键技术。需组织开展技术攻关的深空测控通信关键技术主要包括：深空测控总体技术、深空测控体制研究、轨道测定与控制技术、深空测控设备及相关技术、天线组阵技术等。

 

5. 月球软着陆自主导航与控制技术

 

月球软着陆的工程不同于地球轨道航天器的气动返回。由于月面环境的不确定性和着陆轨迹的复杂性，需依靠探测器的制导导航与控制系统实现基于敏感器的自主导航，并研究相应的算法实现着陆段的地形识别与避障，以保证着陆的精度与安全性。对月测速、测高及地形识别的敏感器是以往航天器上没有使用过的，同时，对作为控制系统执行机构的发动机与推力器也有更高的要求。需研究发动机的延长寿命、提高比冲等问题。

 

6. 着陆器结构与缓冲机构技术

 

着陆缓冲机构是着陆安全的重要保证，需可靠吸收着陆冲击能量，并在一定的地形条件下，保证着陆器不反弹、不翻倒。由于着陆器携带大量燃料、服务设备及科学仪器，因此，专家认为，架式结构更适应我国月球探测二期工程的需求，而大型承力式桁架结构是我国以往航天器上没有采用过的，包括桁架的承力路径分析、材料的选取、接头杆件的设计等。缓冲方式的选择、缓冲材料的选取、缓冲系统各参数的选取与优化是必须解决的关键技术。

 

7. 月面探测的测控通信技术

 

在地面深空网建立的情况下，仍需对探测器上的测控通信系统进行进一步研究，包括研究高增益的编码技术，研制双频应答机，比较不同类型的天线的优劣等。同时，为解决着陆器和月面巡视器在月面上工作期间相互间的通信问题，需研究月面的电波传输特性、绕射特性，并探讨超视距通信的可行性。

 

8. 月面生存的热控技术

 

月夜的恶劣温度环境、没有太阳能可利用给热控带来了极大的挑战。同位素技术是解决探测器渡过漫长月夜的必须手段，这种技术在我国航天器上是首次使用。研究同位素系统的设计，研究热能的利用、相应的热控措施、试验验证、辐射防护等。同时，在月面复杂外热流环境下，需采用新型的热控技术才能保证顺利渡过高温和低温环境，如热开关、相变材料等。

 

9. 小型化电子技术

 

月球探测器的高风险与高成本促使对探测器的重量与功耗必须有一个限制。探测器上的各种电子设备的轻小型化低功耗设计与研制，是深空探测器必须攻克的关键技术。

 

10. 月面巡视探测技术

 

主要包括月面巡视探测器（月球车）移动技术和一体化驱动组件技术、环境感知、识别与建模及传感器数据处理技术、月面的定位、路径规划与控制技术、遥控操作技术等。

 

11. 月面工作机构研制技术

 

探测器上的工作机构需在月面1/6重力条件下工作，这是以往航天器所没有设计过的。为满足月夜月昼交替的需求，需实现机构的重复展开与复位。为支持科学仪器的工作，需研究相应的机械臂，并控制其完成预定的任务。

 

12. 仿真与地面试验验证技术

 

软着陆与巡视探测任务与典型的地球轨道航天器任务相比，具有较强的特殊性，所经历的环境条件更加复杂多变。在设计过程中，必须进行仿真与地面试验验证工作，达到总体方案比较、关键技术问题分析、技术途径验证等目的。

 

着陆过程的轨道设计与控制、着陆冲击载荷、着陆后探测器的热环境、光照环境、测控通信链路等必须通过地面数学仿真的手段进行验证。着陆过程为实时控制，变化因素多，控制难度大。为保证下降平稳和着陆安全，对制导导航与控制系统和发动机提出了很高的要求，需要保证多台发动机及姿态发动机协调工作，工作方式为连续加脉冲工作方式，其工作过程需要地面验证。着陆的稳定性与冲击载荷是否满足要求，相应地面进行多种工作状况的组合验证，验证与优化着陆器缓冲系统的设计。

 

同时，巡视探测器的通过性、稳定性也需要在类似的月貌环境下进行地面验证，以确认其越过障碍的能力、规避障碍的能力、抗侧倾的能力、爬坡能力等技术指标得到满足。探测器在月面所经历的外热流环境也是在地面所必须进行试验验证的关键项目。

 

13. 月面特殊环境及其与探测器的作用效应研究

 

月面环境包括地形地貌、机械物理特性、月壤的光学和热特性、辐射环境、月尘等方面，这些环境的具体特性及其探测器的作用效应是航天器研制的基本条件和保证。目前缺乏第一手探测材料，需要开展深入的研究，从而为探测器的设计奠定基础。

 

(作者单位：中国航天科技集团公司)