中国航天勇夺登月三连胜！嫦娥五号的黑科技，NASA还在摸索中 -

我国首艘月球采样飞船嫦娥五号在经历火箭发射、星箭分离、地月转移飞行、两次中途修正、两次近月制动、着上组合体与轨返组合体分离后顺利完成11大任务阶段中的前三大阶段。本月1日23时11分，在7500N变推力发动机托举下着陆器与上升器组合体成功登陆月球正面风暴洋北部吕姆克山脉附近预设着陆区（月球西经51.8度，北纬43.1度），标志着嫦娥五号距离圆满完成采样返回任务又向前迈进了一大步

嫦娥五号着陆器与上升器组合体成功登月

算上嫦娥三号、四号，这已经是中国航天连续第三次成功实施月面软着陆任务，登月成功率100%，高居世界榜首。作为探月俱乐部的后来者为什么我们可以独领风骚呢？带着这个问题来感受一下嫦娥五号的落月全过程。

嫦娥五号着上组合体动力下降段是从距离月面15公里高度开始，划分为主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段共6个阶段。

15公里动力下降各阶段示意图

主减速段的任务是依托7500N变推力发动机进行减速制动，使得探测器的速度、高度降至预设值，此阶段发动机将以最大推力运行。

月面软着陆航线是弹道式轨迹，而要想成功抵达地外天体预设着陆区探测器需要知晓位置、速度、姿态角速度等信息，从而由计算机向发动机执行机构注入正确指令。

主减速段主要通过惯性导航测量单元获取速度、高度、距离等信息，惯导优势是可靠性高，不易受外界因素干扰，但缺点也很明显，随着时间推移累积误差也会增加，此时就需要引入测速测距修正。

主减速段变推发动机满功率运行制动减速

为此，嫦娥五号着上组合体与它的前辈嫦娥三号、四号一样配置了一系列敏感器，有激光测距敏感器、微波测距敏感器、微波测速敏感器，与前辈不同的是嫦娥五号新增设了激光测速敏感器。

激光测距测速

激光测速敏感器应用了上海光机所设计的首个在着陆器上使用的窄线宽光纤激光器，实现了千赫兹量级、低强度噪声的激光输出，原理是通过探测激光回波的频率信息来测量着陆器相对月面的速度，实现了空间应用系统从能量探测模式向频率探测模式的开拓。

激光测速敏感器激光器

这样一来就形成了更加完善的空间信息修正体系，激光测距测速与微波测距测速互为备份，敏感器都将在主减速段开机，不过具体何时用于辅助惯导修正数据则各有安排。

激光测速测距敏感器根据以往任务经验判断，通常在距离月面12公里高度引入修正，获取的数据经过计算机加权辅助惯性导航测量单元控制飞行弹道。

整个主减速段着上组合体基本呈水平姿态，弹道也是平缓下降的着陆轨迹。当进入快速调整段时探测器将调整姿态使之接近垂直，此时7500N变推力发动机逐渐降至小推力工况，探测器下落速度也将略有变慢。

7500N变推发动机助力中国航天登月三连胜

经过短暂的快速调整段后着上组合体进入接近段，此时距离月面大致是两三千米高度，在这一阶段探测器将利用光学成像进行“粗避障”，针对航线下明显的障碍进行机动规避，同时引入微波测距测速辅助导航，由此形成了惯导+激光测距测速+微波测距测速的多波束导航系统，不论是精确度还是冗余可靠性都达到了一个极大值，此时着上组合体姿态也是接近垂直。

接近段粗避障（嫦娥探月历史资料）

当着上组合体降至110～90米高度区间时将进入悬停段，此时具有世界领先水平的激光三维成像敏感器发挥作用，它将在不到3秒钟时间内采用多波束并扫方式完成对着陆区的高精度三维成像。

三维分辨率达到0.2米，距离精度优于0.15米，能在0.25秒也就是人眼眨眼时间内对50米×50米区域成像。

激光三维成像与激光测距协同运作

激光三维成像不同于传统二维成像，每一个像素点都带有斜距信息，能够更加精确且立体的感知着陆区障碍，并对成像区域网格化，进而以成像区域中心为起点进行螺旋前进搜索，直至确定安全着陆点。如果没有理想着陆点，也可以根据坡度与安全半径加权筛选出最优着陆点。

激光成像网格化快速选定着陆点

中科院上海技术物理研究所研制的激光三维成像敏感器是嫦娥系列着陆器连续三次成功登月的关键所在，它不仅是人类首次将机器视觉理念用于地外天体登陆任务，还实现了高重复频率、窄脉冲宽度、高峰值功率的全光纤激光器在国际上的率先空间应用。

嫦娥五号激光三维成像敏感器

NASA早在本世纪第一个十年就提出研发基于激光成像技术的地外天体登陆ALHAT计划，但时至今日包括历次火星登陆任务在内都没能应用，旅居者号、勇气号、机遇号三辆火星车干脆直接使用气囊着陆方式，避开了着陆末段的精避障环节，但这种方式对探测器登陆重量是一个极大的制约。

气囊着陆只适合小型载荷

目前在火星运行的好奇号与正在奔火途中的毅力号火星车最终都因为质量较大而放弃了气囊着陆方式，但它们使用的也都是基于图像匹配与微波测距测速技术，是落后激光三维成像整整一代的相对导航手段。

有意思的是，当印度月船-2号着陆月球失败后，NASA负责人也在告诫重返月球任务团队要认识到登月技术的复杂性。

散落月面的月船-2号残骸

虽然后者有比较丰富的火星登陆经验，但在月球登陆领域已经有半个世纪的空白，早期阿波罗飞船使用的登月技术自动化水平非常低，月面着陆区与着陆点的选择主要靠手动，老一辈专家不是老去就是作古，连登月的相关产业链也已经不复存在。也难怪俄罗斯航天专家伊戈尔·利索夫感叹道，在拥有开发月球计划的国家中，中国是领先者。

书归正题，经过数秒悬停段后嫦娥五号着上组合体将进入精确避障段，为节省燃料在这一阶段将同步进行精避障与下降机动，它将根据激光三维成像确定的着陆点在水平推力器与7500N变推力发动机共同作用下以垂直姿态进行斜向机动飞行。

着上组合体缓速下降

当探测器由100米下降至着陆点上方30米处时进入缓速下降段，此时由于受发动机尾喷羽流影响将不再引入激光测距测速修正与微波测距测速修正，导航将主要依托惯性测量单元。

在变推力发动机作用下探测器下降速度为2米/秒，当下降至距离月面2米高度时伽马关机敏感器将收到信号进而关闭主发动机，最后的着陆能量由四条缓冲着陆支撑腿吸收。

嫦娥五号降落相机拍摄着陆画面

在整个降落过程中降落相机、金牌数传子系统也将全程开机，后者将把着陆器登月全过程产生的所有数据实时回传地球。

月面软着陆从来不是一件易事，纵观世界航天史登月任务历来是成败各半，成功率长期在51%的低位运行。

以苏联为例，该国曾实施过3次成功的月面采样任务，但鲜为人知的是它还有8次失败的月面采样任务，在这总计11次的采样返回任务里，成功了就冠以正式任务代号“月球”，失败了则低调处理或者被安排进“宇宙”系列任务中。

苏联首次成功采样前失败了5次

以2000年为分水岭，人类登月事业原本在嫦娥三号、嫦娥四号两次任务加持下一直保持着100%全胜战绩，但2019年以色列创世纪号、印度月船-2号两次登月任务相继失败，使得成功率断崖式滑坡至50%，而此次嫦娥五号的圆满登月又使得这一百分比再度回升至60%。

在笔者看来嫦娥系列探测器之所以能够保持100%登月成功率离不开五大保障，分别是，强大的综合国力保障、全球最齐全工业门类保障、科学发展规划保障、勇于创新的开拓精神保障、系统完善的地面试验保障。

与嫦娥5号同在月面工作的嫦娥4号着陆器

正因为有了强大国力我们才能有充沛的财力、人力、物力等资源投入到宇航事业中，嫦娥探月作为与载人航天齐名的战略级航天工程从一开始就确立了科学的绕、落、回三步走发展战略。

在此框架下连续取得了嫦娥一号、二号、三号、五号T1、四号5次任务五战五捷的骄人战绩。环月探测、地月直接转移飞行、月面软着陆、月地轨道再入返回、月背探测，五次任务成果衔接有序，这才迎来了嫦娥五号登月任务三连冠的高光时刻。

嫦娥三号部署月面7年，至今仍有载荷处于工作状态

全球最齐全工业门类能够孵化琳琅满目的货架技术与产品，从而确保我们可以走上独立自主的发展道路，自钱学森时代航天人就确立了绝不把问题带上天的严慎细实作风，又促使我们打造了极尽完善的地面试验系统。

比如，为了拿下人类首次深空轨道交会对接技术，我们建设了全球最大规模的对接试验设施，为了掌握地外天体软着陆技术，又建设了最完善的塔架试验设施，诸如此类案例不胜枚举。

嫦娥五号交会对接系统地面试验

勇于创新更是嫦娥探月工程的内核之一，嫦娥五号作为已经封存三年的探测器放在今时今日依旧应用了一系列具有世界领先水平的尖端技术产品。探测器系统总师杨孟飞对此早有论述，他说，我们要对得起国家的重托，要站在人类航天文明的基础上来开展工作，要体现技术在未来一段时间的先进性。

纵观嫦娥探月工程三次月面软着陆，任务复杂度最高的还不是嫦娥五号，而是嫦娥四号的月球背面软着陆任务。

鹊桥中继卫星

月背登陆首先要解决测控通信难题，为此专门研发了鹊桥数据中继卫星，而为了部署这颗卫星不仅设计了一条复杂的月球借力轨道，嫦娥五号T1也曾专门为鹊桥卫星探路地月拉格朗日L2点halo使命轨道。

攻克月背测控通信难题后，嫦娥四号登陆的月背南极艾特肯盆地冯卡门撞击坑着陆点有着相对高度达万米的落差，因此嫦娥四号不能像嫦娥三号与嫦娥五号那样采用平缓的着陆弹道，而是以接近垂直的弹道下落。

嫦娥四号着陆点万米落差

嫦娥三号是在距离月面3公里处才开始以垂直姿态下落，而嫦娥四号要在距离还有8公里的高度就以垂直姿态下落，为了满足高高度垂直降落需求，7500N变推力发动机又进一步改进优化了比冲性能。弹道的变化也促使降落导航算法的改变与优化，加上中继通信面临着几十秒量级的延时，对嫦娥四号自主管理能力提出了更高要求。

根据嫦娥四号回传图像分析，着陆点周围分布着大大小小的数个月球坑，证明探测器自主避障系统不仅闯过了万米高差的复杂月貌难关，更克服了局部复杂月面着陆难关，标志着我们正在形成全月面到达能力。

嫦娥四号搭载的玉兔二号月球车

嫦娥五号着上组合体与嫦娥四号相比，虽然登月任务复杂度大为降低，但探测器的设计与制造难度却陡然增高，具体而言就是减重难题。

着陆器需要背负比玉兔二号月球车重数倍的月面起飞上升器，加上一百多公斤重的岩心钻探机与表面采样机械臂，如此一来留给其他系统的重量空间则大为减少。

嫦娥五号发射质量8.25吨

例如，前文提到的三维成像激光器就需要减重20%，着陆器4台金属膜片贮箱也被更轻质的4台表面张力贮箱替代，进一步减重约26公斤，几乎所有分系统都进行了不同程度的减重瘦身，甚至去除了一些冗余备份设备。

嫦娥五号着上组合体的控制系统并不在着陆器内，而是被整合进上升器内，后者在执行月面起飞任务时同样需要一套控制系统，与其设计两套相互独立的控制系统不如两器共用一套，也能满足减重需求。

嫦娥五号上升器热试验

嫦娥五号受工程总体约束虽然有非常严苛的减重要求，但却是“量减而质不减”，基于月面采样、月面起飞两大任务，要求着陆点有足够的平整度，因此在一系列减重背景下我们仍然给着陆器增设了具有国际领先水平的激光测速敏感器，可以为着陆行动提供更加精确的导航指引。

激光测速敏感器

中科院上海技物所抓总研制的激光测速器实现了国际首次在月球探测器软着陆阶段使用激光多普勒测速技术进行三个正交方向速度测量，而这又是一个创举。

至此嫦娥五号胜利完成了11个重大任务阶段中的前4个，接下来就是为期48小时的月面采样工作，而这又将是另外一系列具有世界领先水平装备的全面考验，巅峰高地将在下一篇文章中重点分析。

月面采样

当嫦五返回器归来之日，整个世界都将为之倾倒，而这也只是我们书写太空历史的一个开篇序幕。若干年后我们也将对后辈讲述这段属于中国人的辉煌航天史，能成为见证者这已经是莫大的荣光。

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