嫦娥三号工程可靠性概述--东华大学工程导论作业

嫦娥三号工程可靠性概述2004年，我国探月工程得到国务院正式批准立项，分“绕、落、回”三期分

步实施。

“嫦娥三号”任务作为二期工程的主任务，是我国航天器首次在地球以外天体实现软着陆和巡视探测活动，是探月工程“绕、落、回”三步走中承前启后的关键一步。

为实现月面软着陆，我国成功开发了新型航天平台——着陆探测器，采用了梁板复合式结构设计和可大范围伸缩的四腿式着陆缓冲机构，设计了自主式、高精度的分段减速悬停式无人着陆控制方案。

着陆探测器搭载的“月面巡视探测器”，是在月球表面行驶并对月球进行考察、收集和分析样品的专用车辆，公众习惯称之为月球车。

“嫦娥三号”月球车原车设计质量140kg，由移动、结构与机构、导航控制、综合电子、电源、热控、测控数传和有效载荷共8个分系统组成，以太阳能为能源，能够耐受月表真空、强辐射、+150℃～-180℃极限温度等极端环境。

从月表的路况上看，月球重力是地球的1/6，月球表面的土壤非常松软，而且崎岖不平，石块、陨石坑遍布。在这种情况下，月球车既不能打滑下陷，还要能爬坡越障。“嫦娥三号”月球车移动分系统，采用轮式、摇臂悬架方案，由车轮、摇臂和差动机构等组成，具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20°爬坡、20cm越障的能力。

从地月距离上看，由于相距38.4万公里，通讯距离太远，月球车必须具备独立处理各种环境的能力。“嫦娥三号”月球车上导航控制分系统，携带有相机及大量传感器，在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，可以通过地面或车内装置，确定速度、规划路径、紧急避障、控制运动与监测安全，保证到达目的地。

从月球昼夜周期上看，月球上一天的时间相当于地球上的27天略多，因此，月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。“嫦娥三号”月球车电源分系统，由两个太阳电池阵、一组锂离子电池组、休眠唤醒模块、电源控制器组成，利用太阳能为车上仪器和设备提供电源，不仅可以保证月球车白天连续工作相当于地球的14天，而且由于月夜无法通过光能发电，在月球车进入休眠状态后，过了14天还必须能够自动唤醒重新工作。

从月球昼夜温差上看，月球表面白昼时温度高达150℃，黑夜时低至－180℃，温差超过300℃，尤其是月面上的昼、夜时间差分别长达约14天，必须保证月球车在长时间极端温度条件下能够正常工作。“嫦娥三号”月球车热控分系统，利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源，可使月球车工作时的舱内温度控制在+55℃～-20℃之间。

此外，“嫦娥二号”月球车组成还有：结构与机构分系统，由结构和太阳翼机械部分、桅杆、机械臂构成，主要为各种仪器、设备、有效载荷提供工作平台；综合电子分系统：将中心计算机、驱动模块、处理模块等集中一体化，采用实时操作系统，实现遥测遥控、数据管理、导航控制、移动与机构的驱动控制等功能；测控数传分系统：保证月球车与地球38.4万公里的通信以及与着陆探测器之间通信；有效载荷分系统：主要是月球车配备的科学探测仪器，包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等。

当“嫦娥三号”完成发射、飞行到达月球时，着陆探测器采取不同制导方式，从距月面15公里处开始动力下降，经过主动减速、调整接近、悬停避障等飞行阶段，实现路径优、燃料省、误差小的安全着陆。

着陆探测器实现在月球表面软着陆后，首先由着陆器为月球车充电，对月球车进行初始化；之后，月球车与地面建立通信链路，控制连接解锁机构解锁，走上转移机构；在此之后，着陆探测器将控制转移机构运动到月面，月球车驶离转移机构，开始3个月的月面巡视勘察。

在月面巡视勘察过程中，它可以利用相机对周围环境进行感知，并将数据传回地面；地面控制中心利用环境数据和月球车状态信息进行建模、分析和规划，并对规划进行运动仿真和验证；把通过验证的控制指令再上传给月球车，月球车将执行控制指令，并自主完成近距离障碍识别和局部路径规划，利用携带的仪器进行科学探测；对于给出的任务计划，还可根据具体情况选择地面操作模式或者自主运行模式。

根据科学探测的需要，以上过程循环往复。依靠先进的设备，“嫦娥三号”月球车能够对巡视区月表进行三维光学成像，对月表进行红外光谱分析，开展月壤厚度和结构的科学探测，对月表物质主要元素进行现场分析，等等。它传回来的数据，将帮助我们更加准确、更加直接地了解那个神秘美丽的月亮。

嫦娥三号可靠性指标

落月虹湾面临未知新世界

与美国、苏联月球探测主要集中在月球赤道附近不同，中国的嫦娥三号选择在虹湾区着陆。对虹湾的探索将填补月球研究的空白，但对于嫦娥三号来说，这也是一个崭新的、充满未知的世界。

“尽管虹湾宏观上相对平坦，但是最后嫦娥三号降落的小环境到底是怎样的地形地貌，还是未知数。”中国探月工程总设计师吴伟仁说，石头、壕沟、斜坡等都是嫦娥三号面临的巨大考验。

为了能让嫦娥三号“落”得安全，嫦娥二号已经为三号的平稳着陆打了“前站”：它用CCD立体相机对虹湾进行了局域超高分辨率立体成像，获得了分辨率约为1米的图像。

这是中国航天器首次“降临”地外天体。为了保证着陆安全，技术人员还在地面模拟月面环境特性，进行了大量点火、避障、缓速下降的试验。

新技术新产品等待登月考验

月球上没有大气，着陆方式与在地球上完全不同，传统依靠空气摩擦减速的火箭发动机和推进系统在月球上不再奏效。

“为此，我们首次使用了我国自主设计制造的变推力发动机。”吴伟仁说，发动机具有1500牛到7500牛的大推力变化，能够很好地适应不同飞行阶段对发动机推力的需求。

这是我国首次将变推力发动机应用于航天器。“变推力发动机没有备份，又是首次使用，其中也存在风险。”嫦娥三号探测器系统首席科学家叶培建院士说。

据叶培建介绍，嫦娥三号80%以上的技术和产品为全新研制，设备和产品本身的风险比相对成熟的产品高。

为了降低风险，技术人员设想了上百个故障，并制定了相应的预案。“我们天

天想，走路想、吃饭想，想到一种就排除一种，还要进行实验验证。”叶培建说。

更大运载、更高精度、更加可靠

承担嫦娥三号发射任务的长征三号乙改进型火箭，是长征三号乙火箭的升级版。岑拯介绍，嫦娥三号比嫦娥二号重了1300多公斤，采用该型号火箭首先看重的就是它的运载能力。据介绍，发射嫦娥二号的长征三号丙运载能力为3.8吨，而长征三号乙火箭可达5.5吨。

研制时，火箭的状态参数已经基本确定。后来探测器增重，需要火箭系统再提供30公斤运载能力，研究人员做起了“加减法”：一方面提高火箭的运载能力，另一方面则减轻火箭自重。

航天科技集团嫦娥三号运载火箭系统总设计师姜杰表示，为了让火箭“瘦身”，研究人员将金属瓶子换成碳纤维的瓶子，减掉储箱里边的防晃板，为探测器腾出了10多公斤的载重空间。

除了载重，嫦娥三号发射精度要求也更高。据介绍，相比二号，三号的入轨精度要求差不多高了3倍。

为了满足精度要求，研究人员采用了惯导和卫星导航复合的制导技术。“这就好比给火箭装了‘两只眼睛’。”姜杰说，两者结合的制导，完全可以满足嫦娥三号任务对火箭的精度要求。同时由于整个控制系统在设计时器件和设备是冗余配置的，所以控制系统里面某一个设备出现问题仍然可以保证稳定飞行，保证入轨精度。

为满足嫦娥三号可靠性上的更高要求，科研人员还对发动机动力系统和增压输送系统做了大量改进工作。姜杰表示，经测验，长征三号乙改进型火箭可靠性由原来的0.938提高到现在的0.942，而这看似一点点的提升，其实得益于很多新技术的应用。

她认为，我国现役的火箭，从当前的发射成功率、发射的密度来看，可靠性应该说基本上达到世界的先进水平。

6套发射方案、摄像头直播飞行

要使火箭和探测器进到发射场顺利发射，客观上要求能够提供多次发射的机会，为此科研人员确定了3天6次发射机会的预案，即提供了6个达到发射要求的窗口。

由于6条地月转移轨道，入轨参数完全不同，整个飞行的轨道也不同。加上发射窗口之间的间隔时间非常短，给研究人员带来了很大的挑战。

“6个窗口的设计工作，相当于干了通常卫星发射6倍的活。”姜杰表示，轨道设计人员经过上万条轨道的优化仿真，才设计出3天6条的发射路径。

姜杰表示，因为要保证每一条轨道一个时刻的发射要求，就要把6种状态准备好，使得任何一种状态都可以实现发射。这就涉及系统的很多改动，火箭运载系统最大的工作量就在这里。

“火箭必须在设计的3天中发射出去，如果这3天打不出去就只能等明年了。”姜杰说。

与之前发射不同，嫦娥三号有一个着落的探测器。为此，研究人员为它研制了一个卫星支架适配器和缩紧装置，充当嫦娥三号的座椅，支撑着探测器。

据介绍，这个卫星支架适配器直径1750毫米，高度1760毫米。而器件缩紧装置就相当于一个腰带，靠这个腰带把嫦娥三号系住，等到送达预定轨道的时候，