月球，这个距离我们最近的星球，在人类首个探测器着陆40多年后，终于迎来了中国的客人——嫦娥三号。

12月14日21点，在嫦娥二号曾抵达的100公里×15公里椭圆轨道上飞行4天后，嫦娥三号踏上了中国航天器从未涉足的未知旅程——最后15公里的落月之路。

从近月点约15公里到月面，是中国人通往月球的最后一步，也是我国实现首次地外天体软着陆“关键中的关键”。这一段约12分钟、430公里的航程，还因其高自主性、高风险性和不可逆性而成为嫦娥三号200多个小时的飞行过程中难度系数最大的一段。

12分钟：开弓没有回头箭

嫦娥三号总设计师孙泽洲说，在进入100公里×15公里轨道之前，嫦娥三号的飞行轨迹及轨道控制策略与嫦娥二号基本一致，有较好的继承性。但从距离月面15公里到落月，虽然只有短短12分钟，却是我国第一次探索，难度和风险都非常大。

在这短短12分钟里，嫦娥三号要将速度从约1.7公里/秒降到几乎为零，飞行姿态调整90度，还要在控制过程中适应随着发动机燃料的消耗，着陆器“体重”从3000多公斤降到1000多公斤的变化。

这段陌生航程的风险还来自于月面环境的不确定性。“我们对月球的整个情况、月面的地形地貌掌握的不是太清楚，怎样在未知情况下实现软着陆，这是对我们最大的考验。”中国探月工程总设计师吴伟仁说。

由于难度大、风险高，嫦娥三号之前的129次月球探测活动，成功率仅为51%，只有美国和苏联完成了13次无人月球表面软着陆。

与国际上已经开展的很多探月活动相比，嫦娥三号面临着更大的挑战，那就是在整个下降过程中，探测器的飞行速度、高度、姿态的调整，制导、导航，包括避障和着陆点的选择都由它完全自主控制。

负责导航、制导和控制的是探测器的“大脑”GNC分系统，它要和“眼睛”敏感器、“四肢”着陆缓冲机构及动力系统等通力配合完成整个着陆过程。嫦娥三号的“大脑”比我国以往的航天器都要复杂，而且新技术、新产品的占比很高，新研产品达到了80%。为此，在GNC分系统研制过程中，设计人员充分考虑了动力下降过程中可能遇到的问题，并将应对策略编排在软件程序中，使它具备了自主进行故障处理的“智力”。

软着陆是一个不可逆的过程。正所谓“开弓没有回头箭”，自从“动力下降”的指令注入、主发动机点火开始，嫦娥三号基本上就失去了“重新再来”的机会，一旦出现问题，人也很难有时间判断故障并及时实施抢救措施。

对此，工程人员制定了若干应急预案，并在着陆方案设计和地面验证上绞尽脑汁。着陆器GNC分系统副主任设计师李骥介绍，为了最后这12分钟，仅GNC分系统就进行了上万次数学仿真、成百上千次桌面联试以及模拟月球重力环境和月表地形地貌，发动机点火，与真实的GNC分系统相配合进行的多次大型地面试验，这样的试验力度“史上空前”。

最后15公里“步步惊心”

既然“开弓没有回头箭”，嫦娥三号下降的时机就很重要。那么，什么时候算是时机成熟呢？嫦娥三号副总设计师张熇说，这要根据探测器当时的重量、高度、速度等来确定，还要考虑月球引力场作用下探测器轨道的变化。

此外，动力下降需满足三个条件：首先，探测器运行到预设着陆区的上方；其次，确保着陆段及着陆后一段时间内探测器在测控范围之内，与地面通讯有保障；再次，着陆点的太阳高度角不宜太高，探测器“晒太阳”过多的话会让它“太热”，这样会对元器件造成损伤。

至于嫦娥三号如何走好这15公里，顺利实现软着陆，工程人员动了很多脑筋。从2006年探月工程二期的预先研究启动开始，他们就开始研究月球着陆方案，直到2011年下半年，这个方案才差不多定下来。

根据方案，嫦娥三号的动力下降过程分为六个阶段：主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。

通过主减速段，嫦娥三号距月面的高度降至几公里，速度也从1.7公里/秒降至几十米每秒。随后，嫦娥三号调整姿态，来到接近段，初步确定安全着陆区。然后，探测器在100米的高度上悬停，选择安全着陆点。之后，嫦娥三号缓速下降，在距离月面约2.88米处关闭发动机，安全着陆。

“这几个阶段是环环紧扣、步步递进的，都非常关键，任何一个阶段的任务没完成好，都会影响最后的软着陆，甚至造成灾难性后果。”着陆器系统一位副主任设计师介绍。

尽管嫦娥三号的软着陆过程被分成了六段，但实际上，它在这15公里最重要的任务只有两个，那就是减速和避障。“在距月面3公里之前主要是减速，之后的核心目标就是避障和着陆。当然，其间还伴随着调姿。”李骥说。

以前，神舟飞船返回舱返回地面主要是靠空气阻力减速。然而，由于月球上没有空气，探测器的减速主要靠推进分系统的一台变推力发动机来完成。

推进分系统承担了地月转移、近月制动、环月飞行、落月过程等全部轨控、姿控动力功能。该系统中的7500牛变推力发动机，是专为落月研制的我国首台具有大范围变推力工作能力的液体火箭发动机，具有性能高、适应性强、燃烧稳定等特点，可以实现连续变推，满足探测器中途修正、近月制动、动力下降、悬停等软着陆任务的要求。

避障，是嫦娥三号在最后15公里的另一个关键。上世纪六七十年代，苏联和美国曾先后探访月球。不过，这些早期的月球探测器并不具备避障功能，它们或者“盲降”，或者像阿波罗探测器那样由航天员肉眼识别障碍，而不像嫦娥三号这样在动力下降过程中自主避障和选择着陆点。

对于嫦娥三号来说，敏感器就是它的“眼睛”。在距离月面几百米时，嫦娥三号首先采用光学成像敏感器观测着陆区，进行粗避障，然后在100米高度悬停，利用激光三维成像敏感器扫描成像，根据成像情况进行精避障，选择着陆点。

“这是我国的独创，之前还没有任何一个月球探测器使用过这种避障策略，但现在国际上一些先进的深空探测器已经开始使用敏感器避障。”有关专家介绍说。

选择好着陆点后，嫦娥三号缓速下降，并在即将到达月面时关闭发动机，以“自由落体”的方式登录月球。

探测器降落月面时，来自月面的巨大冲击力是其能否安全着陆的最大威胁。为此，嫦娥三号探测器安装了四条着陆腿，它们既有足够的强度，可以承受着陆时的冲击，又使用了新的缓冲吸能材料，具有一定的“柔韧性”，可以确保探测器平稳安全。

嫦娥三号任务对探测器落月时的姿态有较高要求。着陆器姿态平稳，月球车才能顺利从上面下来，执行后续巡视探测任务。研制人员表示，大量试验表明，即使探测器落在石块上，或者一边腿在石头上，一边在坑里，只要倾斜度不超过十几度，就不会翻倒。

21点11分，嫦娥三号稳稳地“站上”月球，这是在1976年苏联“月球24号”探测器登录月球以后到访月球的第一个软着陆探测器。

有着数千年“奔月”梦想的中国人，第一次“自主”在月球上烙下了自己的痕迹。(王娟)