伴随着嫦娥三号探测器的深空之旅，我国探月工程二期的重要目标——实现月面软着陆成为人们关注的焦点。

这是中国人首次尝试地外天体软着陆。设计师们称，工程的难度极大，新研产品占到了总数的80%，且研制周期仅有5年多。

构型设计——着陆靠四腿 行走有六轮

早在2012年的珠海航展上，有着六个轮子四条腿，由着陆器和巡视器(俗称月球车)组合成的嫦娥三号就已经与公众见面了。与嫦娥一号、嫦娥二号不同，嫦娥三号在名称上不叫卫星而叫探测器，是我国第一个长了腿的航天器。

包含11个分系统的着陆器同样有很多难题需要攻克，其中最有特色的当属着陆缓冲分系统，又集中体现在四条“中国腿”的外形上。主任设计师杨建中用了“强、轻、柔、稳、多、新、全、难”8个字形容着陆腿的特点。

其他国家的软着陆方式主要有三种：一是气囊弹跳式，二是着陆腿式，三是空中吊车式。每种方案都有优缺点，综合之下，嫦娥三号选用了腿式着陆。

因为要承受着陆时的冲击，着陆腿要有足够的强度，能承受垂直和水平两个方向上的压力和冲击力，绝不能在着陆过程中“裂了、断了、折了”。但由于重量的限制，着陆器也要做得尽可能轻，在轻的基础上实现强。杨建中形象地打了一个比方，它不是一个肥胖的人，而是一个健壮的人，浑身都是肌肉。

此外，还要通过相应的缓冲材料保证着陆器以非常柔和、舒适的方式着陆，确保仪器设备的安全；着陆过程中，姿态要保持稳定，不能翻倒甚至过多倾斜；在地面试验中，还要找到简单易行的方法进行全面验证……

同样，包含8个分系统的巡视器自然也有很多难题需要攻克，其中最有特色的当属移动分系统，从外形上看，也就是巡视器的6个轮子。

国外巡视器的移动方案主要有三种：履带式、腿式和轮式。巡视器副总设计师贾阳说，在方案阶段，他们很早就确定了使用轮式方案。

到底是使用“阿波罗”月球车的4轮，还是“好奇号”火星车的6轮，还是俄罗斯月球车的8轮，曾经有过一番讨论。最终，他们觉得，4轮缺乏备份，8轮超出重量限制，最终取了6轮方案。

路径设计——从15公里到月面行走

从地球到月球的平均距离是38.4万公里。如何为航天器规划一条到达月球合理的路径，嫦娥一号和嫦娥二号已经做了先期的成功探索：从地球表面发射航天器，经地月转移轨道奔向月球，被月球引力捕获进入环月轨道。

由于任务的需要，嫦娥三号的路径设计还需进一步优化，难度和风险大大增强。它要在近月点15公里处进行动力下降，经过大约12分钟，实现月面软着陆，然后再进行月面巡视勘察。

这15公里的动力下降过程，不是直线而是抛物线。其间，探测器的相对速度要从1.7公里/秒逐渐减为0。这一过程主要靠探测器自主来完成，人工干预的可能性几乎为零。距月面100米处时，探测器还要悬停，对月面进行拍照，避开障碍物，寻找着陆点。

对于地面工程人员来说，设计这一过程尚属首次，存在两大主要风险点。一是关键设备都是新研制的，包括GNC系统(制导、导航与控制系统)和我国首台全新的7500牛变推力空间发动机。二是软着陆区域的地形地貌存在一定程度的不确定性。

等到探测器在月面实现软着陆后，着陆器和巡视器还要进行分离，实现互相拍摄。着陆器基本固定在一个位置，巡视器则需要从着陆器上“走”下来，进行月面巡视勘察。在月面路径规划中，还涉及到“地面遥操作”和“巡视器自主控制”相结合的技术手段。

巡视器类似于一个机器人，它的顶端有个桅杆放置两个导航相机，类似于人的左右眼。通过导航相机拍摄不同角度的图片传回地面，规划形成一个三维的地形，再在三维地形的基础上规划行进路线。这种路径规划就是一个天地互动的过程，俗称“地面遥操作”。因为对巡视器周边环境的未知，这一路径规划很难在地面程序里事先写好。工程师们需要根据巡视器实际感触到的环境信息，决策后面的路径、动作和探测目标。

除了地面遥操作外，巡视器也可以利用器上的计算机，对图像进行处理、识别障碍，规划出相对较近的局部路径，控制自身的移动。这时候，巡视器就是一个自主移动的机器人了。

功能设计——“盖被子”、“生炉子”、“开空调”

嫦娥三号探测器在月球上面临的最大问题就是月面生存。

不同于地球，月球表面昼夜温差较大，温度高时有120度，温度低时在零下180度。而且，月球的昼夜交替周期也较长，以地球人的感知来说，大概14个白天后紧接着14个黑夜。这样的特征给嫦娥三号的月面生存带来了很大的挑战。

着陆器热控分系统主任设计师刘自军用“盖被子”、“生炉子”、“开空调”几个通俗的概念解释了热控设计。实际上，他们应用了可变热导热管，设计了流体回路，应用了同位素热源等技术手段来让嫦娥三号适应月面环境。

天气冷的时候，我们通常用盖被子的方式进行保暖。嫦娥三号也一样，它上面有一个多层隔热组件，也就是所谓的“被子”。这个“被子”是双向隔热的，外部高温时候热量不会往里传，外部寒冷时候里面热量不会往外漏。

可是，月面寒夜时温度低至零下180摄氏度度，仅靠“被子”是不够的，还得“生炉子”。嫦娥三号探测器上的“炉子”主要是同位素核源，它能够持续放热。重力驱动的两项流体回路的设计，使得探测器在需要的时候将热量导入舱内，不需要的时候切断传热途径。

而在月昼，也就是“大白天”，虹湾地区的温度会迅速升高至90摄氏度，如何把热量散出去也是一个难题？设计师们在探测器上精心设计了几个散热面，就好比探测器的“空调”，可以把设备发出的热量散出去。

有了这些手段和方法，嫦娥三号探测器便能很好地保护自我，在月面上生存下来，从而用携带的科学载荷进行工作。

目前，着陆器主要携带了极紫外相机、月基望远镜、地形地貌相机，还有一些对月面、月尘进行测量的工程载荷。巡视器主要携带了测月雷达、全景相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪，开展相应的科学探测任务。通过它们，科学家们将为后续的月球探测积累数据，普通百姓也可以更好地认识宇宙。(索阿娣)