嫦娥三號登月曾引爭議 美專家稱會遭遇令人尷尬的失敗

2013年12月20日 11:22

來源：南方周末 作者：章北海

編者按：近40年，月球表面無“人”問津，肩負着重返月球的重任，2013年12月15日，中國“嫦娥”和“玉兔”涉“足”月球。月球上，從此多了一張新面孔。

重量相當於一輛小排量汽車的嫦娥三號，以自由落體落在月球表面，如凌波微步一般，緩衝有效，落月輕柔。

嫦娥三號登月的當天，NASA的“月球勘測軌道飛行器”（LRO）探測器計劃對嫦娥三號着陸點附近的月面區域進行多次高分辨率成像觀測。

“他們會遭遇一些令人尷尬的失敗。”美國國家航空航天局前歷史學家亞歷山大·羅蘭如此預計中國的登月之旅。

而第二個踏上月球的巴茲·奧爾德林就對《美國航天》雜誌表示：“嫦娥三號的細節告訴我，美國如今絕對必須開始與中國討論月球合作了。”

這兩種聲音之外，還有“登上月球是非常大的技術挑戰”的疑問。這一切，都無法阻止“嫦娥”三號用這個與世無爭的名字，徑直開始不可逆的選擇——登月。

不可逆的選擇

“如果發動機出故障關機，嫦娥三號就可能會撞月。”

2013年12月13日21時，嫦娥三號軟着陸前24小時，北京航天飛行控制中心裡，平常此時正在操場上長跑的趙鳳才已經“鉚”在崗位上。這個36歲的漢子，把夜裡跑三千米作為自己熬夜加班的提神劑。這一天，他連這點提神的空當都抽不出來。

留給趙鳳才的時間越來越少。

這個乾瘦的北京飛控中心總體室主任設計師，心思隨着那個“變動不居的”動力下降點而轉。動力下降段，即是嫦娥三號從近月點到着陸點的旅程。

12月14日，坐在飛控大廳總體崗位上的趙鳳才，已對嫦娥三號着路器系統的100多種應急方案瞭然於胸。可他仍放心不下7500牛變推力發動機，這是推進系統的唯一主發動機。“如果發動機出故障關機，嫦娥三號就可能會撞月。”

新研製的7500牛變推力發動機，是決定動力下降成敗的關鍵角色。它的推力，足足比神舟系列載人飛船發動機大了三倍。

嫦娥三號軟着陸月球，需要發動機朝其落月運動的反方向作用往上推，從而實現減速。降落過程消耗的燃料會使其重量不斷變輕，推力在後期就需要變小，“如果推力保持不變，嫦娥三號就會棄月而去。”嫦娥三號測控通信指揮部飛控組秘書長吳風雷說。

美國探月，最初是從一系列硬着陸測試開始的，“嫦娥”正在跨越式進步。

發動機點火前半小時。2013年12月14日20時29分，隨着關鍵節點的臨近，指揮大廳的口令越來越密集。南方周末看到，在第二指揮大廳，航天科技集團飛控試驗隊的二十多人圍着10台電腦，共同關注着7500牛發動機的狀況。

動力下降是嫦娥三號完全自主實施的過程，地面干預的可能性基本不存在。“三維成像敏感器開機”， 點火前4分鐘，這是動力下降前由飛控中心發出的最後一條指令，此後，直到嫦娥三號着陸，沒有任何指令再發出。專家指出，有媒體報道的“（距月面）15千米、10千米、5千米……飛控中心遙控發令員於天一按下指令發送鍵，探測器降落相機開機”，不符合實情，降落相機是由嫦娥三號依預定程序自行開機。

“點火前發現故障，都可以應對，但一旦點火，就是不可逆的。”吳風雷介紹道，點火前，如果發現某些小故障，均能按預案得到及時處置，不影響點火，如某個敏感器沒及時開機，重發指令即可。但如果發現調姿不到位、推進器工作異常、敏感器測量狀態異常等大故障，那後果就嚴重得多，得將動力下降推遲到若干圈以後，以爭取時間排除故障。

危機，是登月艙發動機點火時的不速來客。

1971年1月31日，當阿波羅14號登月艙“心大星”號即將下降到月面前，發動機剛一點火，就出現了威脅任務成敗的間歇性短路現象。

無獨有偶。1972年4月20日，在着陸前6小時，阿波羅16號差點兒要中止任務。當宇航員馬丁利試圖預定點火，以測試飛船備份操縱系統時，指令勤務艙卡斯帕上的主發動機開始異常抖動。

點火後，“過程的不可逆是登月最大的難點。”嫦娥三號探測器系統副總設計師張熇說，如果着陸過程出現任何意外，就只能把探測器重新拉升，讓它重迴環月軌道——缺乏燃料的嫦娥三號也將難以再完成軟着陸任務。

當年，眼看就要創造歷史的美國阿波羅11號，也曾面臨這“不可逆”的抉擇。

1969年7月20日，脫離阿波羅11號的“鷹”登月艙，剛剛下降到離月面3.4萬尺高度時，隨着儀錶板的一個小儀器上一閃一閃地發亮，宇航員阿姆斯特朗突然發現“程式警報-12-O-2，12-O-12”。這表明計算機“執行溢出”，過載後，計算機就要自動重新從頭計算一遍。假如真的如此，阿姆斯特朗便只能發動上升引擎，使月球艙重返繞月軌道。

當時，在休斯敦飛行控制中心，27歲的導航官史蒂夫·貝爾斯面臨着一個刻不容緩的關鍵抉擇——中止飛行計劃，這也意味着中止整個登月計劃，因為飛行器上的燃料僅夠進行一次嘗試；或是命令宇航員按照計劃登月，而不理會登月艙制導計算機出現的問題。

至今，人類總共發射了131個月球探測器，其中美國60個（成功率67%），蘇聯64個（成功率33%），日本2個（成功率50%），中國3個（成功率100%），歐洲1個（成功），印度1個（部分成功），成功率大約為50%。

避開大坑

“月面地形地貌的不確定性是最大風險。”

“點火”。12月14日20時59分，距離月面15千米。指揮大廳的大屏幕上，代表着“動力下降運行時”的鮮紅數字開始跳動。大屏幕正中的月面示意圖上，嫦娥三號的飛行軌跡呈紅色，綠色代表了以祖沖之、萬戶等以中國人命名的月球地理實體，黃色標註的是此前人類月球探測器的着陸點，其中，阿波羅11號着陸點離紅色軌跡最近。

步阿波羅11號飛船44年的後塵，奔波了38萬千米的嫦娥三號，踏上了那最後萬分之一段的旅程。一道拋物線由距月球15千米的近月點，奔虹灣而去。

按照最大推力工作的7500牛發動機，使嫦娥三號水平速度快速降低，當嫦娥三號高度降低到距月面約3千米時，其相對速度已由1.7千米/秒到降低到60米/秒。

“檢測入口壓力、溫度曲線很平穩，這表明發動機工作很穩定。”趙鳳才的擔心減了幾分。

着陸點越發近了。“月面地形地貌的不確定性是最大風險。”吳風雷說。所幸，嫦娥三號練就了“自主避障”這一套凌波微步。

由2.4千米降到100米時，嫦娥三號的一隻眼睛睜開，光學成像敏感器開機進行粗避障，它可以識別公里級範圍里大於1米的石塊或坑。

“這次降落最大的特點是自主避障。”探月工程總設計師吳偉仁告訴南方周末。着陸後，着陸器監控相機C拍攝到了着陸點東北方17米處的一個直徑20米、深度2-3米的大坑。“一旦落入這麼深的坑，嫦娥三號就很難再爬出來。”吳風雷分析道，“這麼大的坑，應該是在粗避障時避開的。”嫦娥三號通過自主調節發動機方向，向偏離大坑的南邊飛去。

粗避障後是精避障，此刻，嫦娥三號懸停在距月面只有100米處，一隻更“賊”的眼睛瞪大，激光三維成像敏感器開機。它能發現正下方不到半個足球場大、2500平方米範圍內，超過20厘米的坑、石頭。

此時，燃料只允許嫦娥三號懸停約30秒，這30秒內只有3次機會。

0.25秒內，激光三維成像敏感器就能拍下一張照片，並在3秒內自主確定該區域是否合適着陸。如果第一幅照片找的地方不合適的話，嫦娥三號就只剩兩次機會，一對對長得像喇叭一樣的小發動機，就會推着嫦娥平移到鄰近區域，重新選擇着陸點。假如這三次都不是最優選擇，其也能自主運算選擇次優的着陸點。幸運的是，嫦娥三號在拍完第一幅圖後，就選定了合適區域。

嫦娥三號軟着陸過程中的懸停和避障段，是國外的軟着陸方案所不具備的特色。

發生在上世紀六七十年代的多次月球軟着陸中，不具備地形識別能力的美國和蘇聯的無人探測器，只能“盲降”，即使着陸點有坑、有石塊，也得按設計軌道落下去，自然免不了被掀翻的失敗。一共進行了24次發射的蘇聯“月球”計劃，只有8次成功在月表着陸，卻有多達5次在試圖軟着陸過程中墜毀在月球上。

1969年7月20日，同樣不具備地形識別能力的“鷹”號，只能依靠阿姆斯特朗的雙眼來識別地形。

貝爾斯憑直覺允許阿姆斯特朗繼續登月，他建議“鷹”：不要再用計算機在月球艙儀錶板上報告的降落資料。

鷹：“我們下去了！注意！我們下去了！”

自動裝置飛行儀本來要領兩位太空人飛到寧靜海的降落區，這時候太空人只好向計算機撤回命令，降落的工作由阿姆斯特朗來操縱。

“鷹”號迫近月面，一秒鐘落下約20尺。當它飛到距選定着陸點上空500尺時，“一個坑內儘是大小石頭、足球場大小的坑”出現在阿姆斯特朗正前方。他用操縱杆控制主降落引擎和月球艙兩側的小控制火箭，使“鷹”號越過大坑。

交鋒與合作

“在國外建立新的深空站，勢在必行”

同樣避開大坑的嫦娥三號，比“鷹”號更接近成功。

下降到離地不到3米時，其相對速度已降低到不到4米/秒。變推力發動機關機，重量相當於一輛小排量汽車的嫦娥三號，以自由落體落在月球表面，1噸多的體重分擔到4條主腿加8條輔助腿上，緩衝有效，落月輕柔。

而當年人類第一次登上月球時，阿姆斯特朗花了19秒找到了一處平坦地點。任務控制中心開始擔心其推進劑可能不足。當時，登月艙位於月面上空大約9米，所剩燃料僅夠用30秒鐘。

“休斯敦，”阿姆斯特朗喊道，“寧靜海基地到了。鷹着陸了。”彼時距離休斯敦控制中心命令宇航員取消着月還剩最後15秒。

正如時任美國總統所說：“這22秒是我一生中最難挨的時間。”離最後一次登月41年後，習慣了在登月俱樂部獨酌獨飲的美國，顯然不習慣新成員的加入，它麾下的4艘正在執行任務的繞月飛船對嫦娥三號展開觀測。NASA在官網透露，在嫦娥三號登月的當天，NASA的“月球勘測軌道飛行器”（LRO）探測器計划進行多達8次的空間機動，對嫦娥三號着陸點附近的月面區域進行多次高分辨率成像觀測。

當LRO探測器試圖俯拍嫦娥3號及玉兔月球車的畫面之時，嫦娥三號的降落相機傳回了4673張照片。“這些分辨率達毫米級的照片數據，先是下傳到深空站，再輾轉傳到飛控中心。”吳風雷介紹道。

中國首次研製建成的佳木斯66米深空站、喀什35米深空站都做好了應急測控的準備，“這裡是實施應急預案的最後一道崗，嫦娥三號自主導航着陸的過程中，萬一軌道偏差太多，我們會上傳應急指令，扶它一把。”承建佳木斯站的中國電子科技集團10所副總工程師柴霖告訴南方周末。

2013年12月14日夜，在零下二十多度的佳木斯深空站，站在天線操作手旁監視的中國電科技術人員杜丹，看到最後一組降落相機傳來的圖像數據被轉送到北京時，長吁了一口氣。萬一信號中斷，杜丹就重新啟動捕獲流程。窗外，這個亞洲口徑最大的66米天線，向38萬千米外發出波束寬度僅為0.04度的無線電波，呈圓錐形的波束最頂端，能精確對準嫦娥三號收發天線的最頂端，由此得到最強的信號。

亞洲第一、世界第五大，這是屬於佳木斯站66米天線的紀錄。後發制人的中國航天人，一次又一次以“首次”的嘗試，刷新着世界前列的數據，將先行者甩在身後。

“（現在）對深空探測器的測控跟蹤不能做到全天候覆蓋，每天會有8-10個小時跟蹤的盲區。為彌補測控盲區，做到全天候的跟蹤覆蓋，實現對我們未來深空探測的全天候的測控跟蹤，在國外建立新的深空站，勢在必行。”2013年12月16日，探月工程二期測控系統副總設計師周建亮在國新辦舉行的新聞發布會上說。

“要更多地看出我們和先進水平的差距。”吳風雷說。

在4個月前的國際宇航大會上，他曾用流利的英語向各國學者作嫦娥三號主題演講。而此時，他的北京飛控中心同事正在德國達姆施塔特的歐洲跟蹤站網絡控制中心，協調溝通位於西班牙塞夫雷羅斯和澳大利亞新諾爾恰的35米直徑深空天線，為嫦娥三號軟着陸提供“delta-DOR”定位測量服務，該技術將有助於對嫦娥三號進行精確定位。

一起在中心辦公室觀看了嫦娥三號軟登陸的電視直播後，歐空局人員為他們的中國夥伴打開香檳慶祝。

容不得喘息

嫦娥三號是中國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一

12月14日21點11分，嫦娥三號穩穩地“站在”月球正面的虹灣以東地區。此前，它經歷了環環相扣、“步步驚心”、“漫長”的、人工難以干預的686秒動力下降段，深空站收到的遙測數據、測量數據無一中斷，實時回傳。

緊張有序的工作，和卸下壓力的放鬆，兩種氛圍在軟着陸成功後的飛控中心交織。掌聲夾雜着叫好聲不過響起六七秒，眾人又接着盯緊屏幕上的遙測數據，等待最後確認。

“已安全着陸。”半分鐘後，更為持久的掌聲再次響起。南方周末看到，相鄰而坐的嫦娥三號總設計師葉培建、探測器總指揮張廷新、探測器系統總設計師孫澤洲相互大幅度搖擺地握手。

挨過讓人揪心的686秒落月後，他們以擁抱來慶祝嫦娥三號的階段性勝利。

“嫦娥三號是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一，創造了我國航天領域的7項‘首次’。”國防科工局新聞發言人吳志堅說。“首次”的另一面是從零學起，一連串的“首次”意味着風險。

“但任務容不得喘息。”測控通信指揮部飛控組秘書長吳風雷說，登月成功後的幾十秒內，軟着陸後的第一條指令就得發出。他很清楚，如果發令有所延遲，就會耽誤隨後兩器分離的進程。

為了登月這場戰役，他已挺了3年，他不容自己有任何懈怠。在稱為“月球車的大腦”中國首個遙操作大廳，會首次對地外天體的航天器進行遙操作。

當月面工作時間邁入3分鐘時，59歲的張廷新摘下老花鏡，拿起手機拍攝大屏幕上的月面圖，他身旁43歲的孫澤洲卻低頭掩面。旋即，孫澤洲露出臉來，以左手指抵住下唇，又回到了此前專注於電腦的狀態，他沒注意到，周圍又有人伸來向他祝賀的手。

在登月成功後的頭5分鐘，拿着一疊疊報紙的飛控中心宣傳科人員，在大廳內派發彩印的《飛控報》，這份號外的內容是慶祝登月成功。夜漸深，直到軟着陸成功滿1小時後，總裝備部部長張又俠、政委王洪堯、副部長牛紅光，仍在指揮大廳內觀看着陸器的實況。

此後，“嫦娥”懷中的玉兔號月球車沿着轉移機構架起的斜梯款步而下。

2013年12月15日4點35分，“玉兔”踏上月球，在月面印出兩道深深的痕跡。12月15日23時40分，“嫦娥”、“玉兔”深情相望，通過互拍留住這一永恆瞬間。

當吳風雷結束手頭工作時，他才發現自己那台老舊的諾基亞直板手機，已塞滿了數十條慶賀短信。