嫦娥落月“黑色720秒”的臺前幕后

　　２５日起，嫦娥三號月球探測器的著陸器和巡視器相繼進入月夜休眠，忙碌已久的航天人終于可以暫時松口氣，仔細梳理第一階段的各項科學(xué)探測和數(shù)據(jù)搜集。記者來到中科院上海技術(shù)物理研究所，聽這里的科學(xué)家們講述了嫦娥落月“黑色７２０秒”里那些不為人知的臺前幕后。

　　“黑色７２０秒”，是指“嫦娥三號”月球探測器從１５公里高度降至月球表面的這１２分鐘。之所以稱之為“黑色”，是因為足夠驚心動魄：重達３７８０公斤的嫦娥“三姑娘”，要完全依靠自主控制，完成降低高度、測距、測速、選擇著陸點、自由落體著陸等一系列動作。而在這期間，地面人工干預(yù)的可能性幾乎為零。

　　就在這地面航天人“手足無措”的７２０秒內(nèi)，由中科院上海技術(shù)物理研究所研制的激光測距敏感器和激光三維成像敏感器發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，它們既是“三姑娘”的“眼睛”，又是其成功落月的最大“功臣”。

　　“月球探測器的著陸過程需要核心解決三件事：一是高度與姿態(tài)的測量；二是發(fā)動機推力的控制；三是對１００米懸停避障的測量和把控。”上海技術(shù)物理研究所研究員舒嶸介紹說。

　　激光測距敏感器，是著陸器上最早開機的設(shè)備，其主要作用是，在嫦娥飛入月球表面１５公里軌道以后，全程監(jiān)測“三姑娘”與月面的距離，并“兼職”算出其落月的速度，從而不斷完成動力下降階段對嫦娥“三姑娘”著陸姿態(tài)的控制，輔助其向著陸區(qū)降落。該儀器在嫦娥落月的過程中，每一秒就發(fā)射兩次激光，以此獲取精度在０．２米的月距高度。雖然操作原理一目了然、簡單易懂，然而在執(zhí)行的過程中，科學(xué)家們還是碰到了不小的麻煩。

　　負責(zé)激光測距敏感器項目的研究員黃庚華回憶道，在預(yù)定著陸時間的前半個小時，激光測距敏感器就開機了，然而此時激光的光軸卻并未與月面建立垂直的關(guān)系，而是與著陸器一起以傾斜的姿態(tài)下降。“激光光束是‘擦著’月面斜射過去，很難測量出具體數(shù)據(jù)。站在指揮現(xiàn)場，遲遲看不到數(shù)據(jù)讓我們非常緊張。”黃庚華說，“那時，我們曾不斷向控制中心詢問，激光的光軸什么時候才能轉(zhuǎn)過來？嫦娥的姿態(tài)什么時候才能調(diào)整完畢？”

　　直到“三姑娘”下降到距月面３５公里左右時，屏幕上“跳出”了“４０公里”的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們才松了一口氣。“這說明激光測距敏感器已通過斜距測量獲得了具體數(shù)據(jù)，設(shè)備整體工作狀態(tài)是正常的。”隨后，激光測距敏感器表現(xiàn)非常平穩(wěn)，從１５公里一直到１５米，在高性能“倒車雷達”激光測距敏感器的精確“指引”下，“三姑娘”后來穩(wěn)穩(wěn)著陸。

　　解決了“嫦娥”降落高度與姿態(tài)的問題，還要解決“往哪里落”的問題。“雖說嫦娥三號的預(yù)選著陸區(qū)——虹灣地勢相對平坦，但它的表面仍然存在高坡、隕石坑、大石塊等諸多不確定因素，所以精確避障極為重要。”中科院上海分院副院長、上海技術(shù)物理所研究員王建宇表示。

　　激光三維成像敏感器就承擔(dān)了為“三姑娘”精確避障、確定安全著陸區(qū)的“光榮使命”。負責(zé)激光三維成像敏感器項目的研究員徐衛(wèi)明介紹說，“在預(yù)定著陸時間的前４分半鐘，激光三維成像敏感器開機，待嫦娥到達距月面１００米的懸停位置正式開始工作。它的主要任務(wù)是采集月面的三維圖像，將高于２０厘米的石頭或低于２０厘米的坑識別出來，從而在一個長寬都是５０米的區(qū)域內(nèi)找出一個長寬都是１０米的安全著陸區(qū)。”

　　與激光測距敏感器相比，激光三維成像敏感器發(fā)揮作用的時間非常短，在“黑色７２０秒”中只工作了大約４秒鐘：前０．２５秒用來完成掃描成像，剩下的約３秒時間完成計算。“嫦娥在距月面１００米的位置最長的懸停時間只有３０秒，在這個過程中，激光三維成像敏感器只有３次拍照機會。幸運的是，我們第一次掃描就成功了，直接找出了合適的著陸區(qū)，通過一次自主實施平移，就順利避開了地面障礙物、從容著陸。”徐衛(wèi)明高興地說。

　　“最后１００米的落月環(huán)節(jié)風(fēng)險最大、也是最不可控的。激光測距敏感器還有一次關(guān)機再開的機會，而激光三維成像敏感器如若出現(xiàn)問題，該功能將立即被放棄，嫦娥三號也只能直接降落，在這種情況下，無論底下什么情況都沒辦法補救，所以我們最擔(dān)心這一環(huán)節(jié)。”舒嶸說，“這次探月，我們到達了一個前人完全沒有去過的‘未知’區(qū)域。月面的特性，例如隕石坑、高坡等，我們其實并不知道它們具體在哪里。實際上，從后來傳回的照片可以看出，在著陸器正前方約１０米的位置處就有一個很大的深坑。”王琳琳