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來源：互聯網

嫦娥三號（Chang’e-3）是中國探月工程第二階段的登月探測器，由中國航天科技集團研制。嫦娥三號由著陸器和巡視器（玉兔號月球車）組成，總質量為3780千克。其中，著陸器質量約3640千克，巡視器質量為140千克。共攜帶8件科學儀器，著陸器和巡視器各4件，用于開展月表形貌與地質構造調查、月表物質成分和可利用資源調查、地球等離子體層探測和月面光學天文觀測三類科學探測。

2013年12月2日，嫦娥三號從西昌衛星發射中心升空，準確入軌；12月14日，嫦娥三號安全著陸月面，中國成為世界第三個實現在地外天體軟著落的國家；12月15日，在完成探測器與巡視器互拍任務后，嫦娥三號正式轉入月面工作段。在月工作期間，嫦娥三號通過8個科學儀器對月球、宇宙和地球進行科學觀測，獲得大量寶貴的科學數據。巡視器搭載的測月雷達完成了人類歷史上首幅月球地質剖面圖，揭露了月球雨海區域火山演化的歷史，也展現了月球表面以下330米深度的地質結構特征，而且還在月球上發現了新的玄武巖類別。科學家們還利用巡視器探測的數據，首次揭示了月球雨海區的火山演化歷史。著陸器和巡視器相互配合，首次發現了月球上沒有水的直接證據。另外，著陸器上的月基光學望遠鏡和極紫外相機，分別完成了首次月球北極上空的天體普查和地球上空等離子體層觀測。

嫦娥三號任務的圓滿成功，實現了中國航天器首次在地外天體軟著陸和巡視勘察，標志著中國探月工程“繞、落、回”第二步戰略目標取得全面勝利，在中國航天事業發展中具有重要里程碑意義。

研發歷程

研發背景

1994年，中國科學家開始進行探月活動必要性和可行性研究。2000年11月22日，中國政府首次公布的航天白皮書《中國的航天》，明確了“開展以月球探測為主的深空探測的預先研究”。2001年，由原國防科工委組織中國科學院、中國航天科技集團、原總裝備部等單位正式啟動月球探測工程的相關論證工作。

2004年1月23日，中國繞月探測工程獲批準立項。依據分步實施、不斷跨越的原則，無人探月工程按照“繞、落、回”三步走。第一步為繞月探測，即在2004-2007年研制、發射繞月探測器。這一階段要突破地月飛行、遠距離測控和通信、繞月飛行、月球遙測與分析等技術，并建立了中國月球探測航天工程初步系統。第二步為落月探測，即在2007-2013年研制和發射落月探測器。這一階段將主要突破月球軟著陸、自動巡視勘察、深空測控通信、月夜生存等關鍵技術，為以后建立月球基地的選址提供月面的化學和物理參數。第三步為采樣返回探測，即在2013-2020年研制和發射采樣返回器到月球表面特定區域進行分析采樣，然后將月球樣品帶回地球進行詳細研究。

2004年2月25日，中華人民共和國國防科學技術工業委員會召開繞月探測工程領導小組第一次會議，探月工程被正式命名為“嫦娥工程”，第一顆繞月探測衛星被命名為嫦娥一號。中國探月工程用“嫦娥奔月”神話傳說中的人物來命名，弘揚了中國傳統文化，表達了中國人“奔月”的決心。

2007年10月24日，嫦娥一號成功發射，實現了對月球全球性與綜合性環繞探測，完成了探月工程“繞、落、回”發展規劃的第一步。2008年2月15日，探月工程二期立項，二期工程計劃實施三次飛行任務，分別命名為嫦娥二號衛星任務、嫦娥三號任務和嫦娥四號探測器任務。嫦娥二號在嫦娥一號備份星基礎上進行技術改進，是二期工程的技術先導星。嫦娥三號任務將實現月面軟著陸和巡視探測，開展月表地形地貌與地質構造、礦物組成和化學成分、月球內部結構、地月空間與月表環境探測和月基光學天文觀測等活動。

研發過程

2008年2月，嫦娥三號任務立項，先后經歷了21個月的方案設計、26個月的初樣研制、20個月的正樣研制。

2010年12月21日，中國國家國防科技工業局所屬探月與航天工程中心主任張嘉浩表示：“嫦娥三號任務月球探測器中備受關注的月球車已進入初樣研制階段，計劃明年轉入正樣研制。”

2013年11月5日至9日，中國國際工業博覽會在上海新國際博覽中心舉行，由上海宇航系統工程研究所研制的“月面巡視探測器原理樣機”（俗稱“月球車”）首次亮相工博會。2013年11月26日，嫦娥三號巡視器月球車命名“玉兔號”。

主要任務

工程目標：突破月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通信與要操作、深空探測運載火箭發射等關鍵技術，提升航天技術水平。研制月球軟著陸探測器和巡視探測器，建立地面深空站，獲得包括運載火箭、月球探測器、發射場、深空測控站、地面應用等在內的功能模塊，具備月球軟著陸探測的基本能力。建立月球探測航天工程基本體系，形成重大項目實施的科學有效的工程方法。

科學目標：月表形貌與地質構造調查。月表物質成分和可利用資源調查。地球等離子體層探測和月基光學天文觀測。

技術特點

結構組成

嫦娥三號探測器包括著陸器和巡視器，總質量為3780千克。其中，著陸器質量約3640千克，巡視器質量為140千克。著陸器的設計壽命是1年，巡視器設計壽命是3個月。

巡視器（玉兔號月球車）呈長方形盒狀，太陽翼收攏狀態下長1.5米，寬1米，高1.1米，有6個輪子。月球車能在月面方圓3千米的范圍內行走10千米，還能繞過障礙。

基本參數

科學儀器

嫦娥三號共安裝了八種有效載荷。其中，著陸器搭載了地形地貌相機、降落相機、極紫外相機、月基天文望遠鏡四種有效載荷；巡視器（月球車）攜帶了全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀、粒子激發X射線譜儀四種有效載荷。

著陸器

地形地貌相機

地形地貌相機由中國科學院光電技術研究所研制，用于與降落相機和全景相機等有效載荷互相配合，共同完成月表形貌與地質構造調查的科學目標。地形地貌相機集照相、攝像功能為一體，是中國首臺在月球上拍攝彩色圖像的相機。與國內同類的輕小型相機相比，地形地貌相機具有體積小、重量輕、功耗低等優點，并且功能更加齊全。同時，在技術上克服了月球白天高達120攝氏度的溫度、太陽高度角變化大對相機成像質量的影響，能拍攝出高質量的動態、靜態圖像。

降落相機

降落相機由中國航天科技集團508所研制，僅在著陸過程中使用，在著陸器降落過程中獲取著陸區域的光學圖像，用于著陸區月表地形地貌和著陸區地質情況的研究，并為著陸點精確定位、后續巡視器探測目標選取提供數據。

月基光學望遠鏡

月基光學望遠鏡由中科院國家天文臺和中科院西安光學精密機械所聯合研制，由主體和反射鏡轉臺兩大部分組成。這是人類首次實現依托地外天體平臺開展自主天文觀測。月基光學望遠鏡通過地面系統發送指令來實現自主展開工作。同時，月基光學望遠鏡選擇了一個稱為極紫外的波段進行觀測，這個波段在進入地球時會被大氣層吸收，因此無法在地球進行觀測，只能通過空間望遠鏡來完成。極紫外波段對于一些星體的突然爆發現象非常敏感，能夠獲取有關這些天體的重要信息。

極紫外相機

極紫外相機由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制，這是國際上首次在月球表面使用的極紫外波段成像儀器。極紫外相機安裝在著陸器頂部，主要有30.4納米的光學系統、單光子技術成像探測器和跟蹤功能系統組成，用于在月球表面對地球的整個離子層進行成像觀測，有助于了解太陽和地球的相互關系。

巡視器

全景相機

全景相機由中國科學院西安光學精密機械研究所研制，由兩臺功能、性能、接口完全一致的相機組成，安裝在巡視器桅桿上，利用雙目立體成像原理來獲得場景的三維圖像，用于巡視區地形地貌及撞擊坑調查、月球地質構造解析等研究，同時兼顧對著陸器的彩色拍照，獲得著陸器成功著陸后的工作狀態。

測月雷達

測月雷達由中國科學院電子學研究所研制。測月雷達是一種高分辨率的超光態雷達，穿不透金屬但能穿透物質，主要用于月壤厚度的測量以及月球月巖淺層結構的測量。它分兩個波段，低頻段與高頻段。這兩個頻段稍稍有一點覆蓋，互相還可以做驗證。測月雷達的天線很特殊，低頻段的天線是裝在巡視器的側面。高頻段的天線是一個微帶天線陣，裝在月球車的肚子下面。

紅外成像光譜儀

紅外成像光譜儀由中國科學院上海技術物理研究所研制，位于五星紅旗正下方。可以在紅外和短波紅外兩個波段工作，其中紅外波段可以非常精細地觀測光譜，判斷不同的物質。在月球車行進過程中，光譜儀能沿著行走方向成像，并探測月球表面物質的成分。

粒子激發X射線譜儀

粒子激發X射線譜儀是月球車機械臂上唯一的載荷，由中科院高能物理所研制。它通過攜帶的主動激發源激發月巖或月壤中的元素，并探測其產生的特征X射線，從而獲得月球元素的種類及含量信息，為月球地質化學過程和形成演化研究提供重要依據。

技術創新

發射窗口

探月衛星的發射窗口選擇受到多種因素的影響，包括地球、太陽和月球的運動規律，發射場的氣候條件，以及火箭運載能力和衛星自身能力的限制等。嫦娥三號的發射目標是直接進入地月轉移軌道，近地點高度為200公里，遠地點高度約為38萬公里。這與地球衛星的發射要求有所不同，對發射窗口的限制更為嚴格。為了確保嫦娥三號任務能夠順利登月，改進型火箭采用了多窗口、窄寬度和高精度的入軌發射方式，這在中國航天發射史上是首次嘗試。這次任務選擇了六個發射窗口，每天有兩個窗口可供選擇。第一個發射窗口的寬度為4分鐘，如果未能在該窗口發射，就會進入第二個窗口，其寬度為1分鐘。實現多窗口、窄寬度的發射非常具有挑戰性。首先，對軌道設計等方面的要求非常高。六個窗口對應著六條完全不同的軌道，它們的入軌參數和整個飛行軌道都是完全不同的。同時，每次發射的窗口時間非常短，甚至可能是零窗口，需要迅速調整不同的彈道參數。

月球車機械臂

月球車的機械臂位于巡視器（月球車）的前方，平時收攏在巡視器國旗的下方，當發現科學目標時，機械臂會展開以進行月面探測。嫦娥三號著陸后，機械臂伸展安裝在機械臂前端的粒子激發X譜儀，在兩個月晝分別進行一次探測，獲取月表組成元素的數據。由于需要克服月表的劇烈溫差和月塵對機械臂關節的影響等一系列困難，機械臂的展開過程并不簡單，主要有三個方面難點：首先是遠距離控制，需要在距離地球38萬公里的地方對機械臂進行控制；其次是控制的精度，機械臂的投放需要精確控制到距離目標毫米級的量級；第三是控制過程的復雜性，例如在機械臂投放過程中需要避開障礙物，不要碰到車體和地面。通過擁有中國自主知識產權的控制系統，科研人員實現了對于機械臂的毫米級精確控制。

熱控系統

月球表面白晝時溫度高達約120攝氏度，黑夜時低至約零下180攝氏度，月面上的晝、夜時長分別為地球時間14天左右。為了在極端環境下順利完成任務，必須保證月球車在長時間極端溫度條件下能夠正常工作。為適應極端溫差，設計人員在熱控方面做了一些特殊設計。在設計月球車熱控分系統時，利用導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、同位素核源，可以使月球車在零下180攝氏度到零上120攝氏度的極限溫度范圍內正常工作。工作時的艙內溫度可以控制在零下20至零上50攝氏度之間。

嫦娥三號的著陸器和巡視器外部都覆蓋有多層隔熱組件，這些隔熱組件是雙向隔熱的，既能防止熱量向內傳遞，也能防止熱量向外泄漏。在月夜期間，同位素核源可以持續地給著陸器和巡視器提供必要的熱量。在月晝時，月面溫度高達約120攝氏度，需要通過散熱來降溫。在地面可以用冷卻劑來散熱，而在月面就只能用輻射方式散熱。設計人員在探測器上設計特殊的散熱面，這樣就可以在月晝的時候把熱量傳出去。散熱面的朝向、面積、表面特性都是經過專門的計算和設計，能適應落月以后的高溫環境。

設計人員針對白晝需散熱、月夜需保溫的需求，通過可變導熱管安裝很好地解決了這個問題。在嫦娥三號整個地月轉移、環月、落月過程中，為防止月球紅外普照等因素引起的高溫，可通過可變導熱管把熱量從設備傳到散熱面排散出去。而到了月夜，又可以把散熱通道斷開，同位素核源打開，從而滿足保溫要求。?

月球著陸

由于月球上沒有大氣層，嫦娥三號無法使用降落傘來減速著陸器，只能用發動機噴氣反推。研制人員研制了一種大推力的反推發動機，使著陸器能夠通過發動機的噴氣反推來減速，并逐漸靠近月球表面。此外，嫦娥三號還使用了激光測距儀和測速測距雷達來進行定位。由于無法精確獲知月球表面的具體環境，因此嫦娥三號雖然由地面控制，但是著陸器也具備一定的自主避障功能。

雖然在減速和懸停過程中著陸器會進行判斷和決策，但是懸停過程會消耗大量的推進劑，因此不能太長時間地懸停。為了著陸順利，實驗團隊采取了多種辦法，盡量精確地模擬月球環境。在著陸過程中，嫦娥三號著陸器會緩慢地降落，并且傾斜角度小于15度，研制人員新設計的"四腳著陸緩沖機構"會先接觸到月球表面，完成著陸過程。這種機構可以減輕著陸沖擊，保護著陸器的安全。

任務經過

準備工作

2013年9月12日凌晨，嫦娥三號探測器搭載專用貨機前往西昌青山機場，通過空運運抵發射場，在衛星測試廠房完成了綜合測試前總裝及綜合測試，著陸器、巡視器聯合總裝及測試；9月25日，嫦娥三號月球車全球征名活動啟動；11月9日至17日，完成探測器加注及轉場準備；11月18日，轉至2號發射工位，完成了與火箭對接、加電測試、電池充電等工作。

2013年10月27日，承擔嫦娥三號發射任務的長征三號乙遙二十三運載火箭從北京啟程，搭乘專列前往西昌衛星發射中心。10月31日，運載火箭運抵發射場，在火箭測試廠房完成了產品恢復、單元儀器測試、火工品安裝等工作。11月9日至10日，運載火箭轉運至2號發射工位后，完成了分系統測試和四次綜合測試等工作。

2013年11月30日，長征三號乙遙二十三運載火箭開始加注推進劑，預示火箭進入發射程序。

發射升空

2013年12月2日01時30分，嫦娥三號攜帶著中國首輛月球車玉兔在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭發射升空。

軌道變動

2013年12月2日15時50分左右，北京航天飛行控制中心成功實施對嫦娥三號地月轉移軌道第一次中途修正。這次中途修正的目的是確保嫦娥三號探測器準確實施近月制動，順利抵達環月軌道。此次軌道修正圓滿達到預定目標，表明探測器控制與推進分系統工作正常，為嫦娥三號順利開展后續飛行任務奠定了基礎。

2013年12月6日17時53分，在北京航天飛行控制中心的精確控制下，嫦娥三號成功實施近月制動，順利進入距月面平均高度約100千米的環月軌道。

2013年12月10日18時00分，北京航天飛行控制中心向嫦娥三號注入調姿和變軌參數；20時37分，嫦娥三號進入月球背面區域；21時20分，在北京航天飛行控制中心的精確控制下，嫦娥三號在環月軌道成功實施變軌控制，順利進入預定的月面著陸準備軌道；21時24分，嫦娥三號重新回到月球正面。嫦娥三號由距月面平均高度約100千米的環月軌道，成功進入近月點高度約15千米、遠月點高度約100千米的橢圓軌道。

離軌著陸

2013年12月14日20時30分許，北京航天飛行控制中心向嫦娥三號發送指令，調整姿態，收攏太陽翼，做好降落準備。20時59分，7500牛變推力發動機開機，嫦娥三號開始動力下降，以1.7千米/秒的速度向月球降落。隨后降落相機開機。經過主減速段，嫦娥三號的速度降到只有約600米/秒。隨后嫦娥三號迅速通過快速調整段，開始躲避障礙。隨后經過接近段。在距月面約100米處，嫦娥三號相對月面速度接近為零，懸停在月球上空。嫦娥三號利用三維成像敏感器，對著陸區域仔細觀測，尋找最佳著陸點。30秒后，嫦娥三號緩速下降。

2013年12月14日21時11分，嫦娥三號成功著陸在月球西經19.5度、北緯44.1度的虹灣以東區域，這是中國航天器首次著陸地外天體，也使中國成為繼美國、蘇聯之后，第三個實現航天器著陸月球的國家。

2013年12月14日23時45分，地面科技人員對兩器分離的實施條件，包括著陸點環境參數、設備狀態、太陽入射角度等，進行了最終檢查確認。隨后，向嫦娥三號發送指令，兩器分離開始。

2013年12月15日4時35分，嫦娥三號著陸器與巡視器分離，巡視器（玉兔號月球車）順利駛抵月球表面。

科學探測

兩器互拍

按照工程計劃，嫦娥三號著陸器和月球車共進行A、B、C、D、E五次互拍。自2013年12月15日第一次互拍開始，月球車以60度為間隔繞著陸器行駛，分別在著陸器的正后方、側方、正前方等五個位置進行了互拍。2013年12月22日凌晨，在地面的控制下，嫦娥三號著陸器與巡視器（玉兔號月球車）進行了第五次互拍，首次傳回著陸器攜帶五星紅旗的清晰全景照片，兩器互拍任務圓滿結束。隨后，月球車離開著陸器，開始月面測試工作，并前往更遠的區域繼續月面巡視勘察。

第一月晝

自2013年12月14日嫦娥三號成功落月2013年12月26日，在12天的月晝工作期間，嫦娥三號著陸器和月球車圓滿完成了兩器互拍、月面行走、對地成像、中國空間站工程巡天望遠鏡觀測和月面測試等任務，兩器攜帶的8臺有效載荷全部開機工作，獲得了大量科學探測數據。

第二月晝

在自主喚醒后的第二個月晝期間，嫦娥三號探測器上的科學載荷開機工作，繼續開展既定的科學探測任務。著陸器上的月基光學望遠鏡開展了觀天探測，極紫外相機對地球等離子體層進行了觀測，這兩項均為世界上首次在月面開展的探測活動。此外，兩器之間還首次開展了UHF通信試驗。月球車在此期間進行了巡視，在多個探測點開展了相關探測工作，測月雷達、全景相機、粒子激發X射線譜儀、紅外成像光譜儀均獲得了大量科學探測數據。第二次月夜休眠前，受復雜月面環境的影響，月球車的機構控制出現異常。

第三月晝

在第三個月晝工作期間，嫦娥三號著陸器和巡視器（玉兔號月球車）的有效載荷重新啟動，按計劃展開科學探測任務。著陸器搭載的月基光學望遠鏡和極紫外相機正常運行。月基光學望遠鏡每天長時間進行天文觀測，而月球的緩慢自轉為連續觀測宇宙天體提供了獨特的環境條件。為了減少背景輻射的影響，極紫外相機在月晝前后的幾天內對地球等離子層進行了觀測。月球車在第三個月晝期間進行了定點探測任務。通過地面應用系統對返回的數據進行評估和分析，發現搭載的全景相機和測月雷達狀態良好，紅外成像光譜儀的紅外波段數據正常。然而，之前出現的機構控制異常問題仍未解決。

后續活動

2014年6月19日，在北京航天飛行控制中心的精心組織下，嫦娥三號著陸器圓滿完成了第二屆夏季青年奧林匹克運動會網絡火炬太空傳遞活動，這也是中國促進航天技術服務社會的一次全新嘗試。

2014年12月14日21時14分，嫦娥三號登陸月球滿一周年，北京航天飛行控制中心實現了精心護航嫦娥三號著陸器月面安全工作一年的預定工程目標。

2014年12月15日凌晨，嫦娥三號著陸器圓滿完成第十三個月晝的全部預定工作，順利進入月夜休眠。嫦娥三號著陸器于2016年7月28日按時進入第33月夜休眠期，刷新國際上探測器月面工作時間最長紀錄。截至2020年9月1日，嫦娥三號已落月2453天，現處于“退役”狀態即長期管理階段，著陸器部分科學載荷仍在工作。