嫦娥七号脑洞大开：月球南极三器互拍，飞跃器不仅能飞，还会爬行

再有五个多月，服务月球探测任务的鹊桥二号中继通信卫星就将在海南文昌航天发射场由CZ-8火箭实施发射任务，该卫星的发射将标志着嫦娥探月工程四期的持续深入推进。

在圆满完成嫦娥探月工程绕、落、回三步走规划任务之后，工程总体适时启动了探月工程四期任务，包括嫦娥四号、嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号四次任务，其中人类首个月球背面探测任务嫦娥四号是在探月工程四期立项之前就已经完成部署。

接下来的重点任务将是2024年前后的嫦娥六号、2026年前后的嫦娥七号、2028年前后的嫦娥八号，而鹊桥二号对于整个探月工程四期而言，也有着某种程度上的“一发定全局”的意义。

鹊桥二号原本是作为嫦娥七号的组成部分一起发射，而嫦娥七号也原本是规划在嫦娥六号之前发射。

当初之所以想让嫦娥七号跳号发射，目的也是显而易见，就是想用嫦娥七号携带的鹊桥二号中继卫星为嫦娥六号执行我国第二次无人月球采样返回任务服务。

多次采样返回可以获得不同月面区域的样品，对全面深入认知月球很有助益。既然是二次采样，当然不能是第一次的简单重复，比如让嫦娥六号去月球南极采样的呼声一度是很高的。

嫦娥七号主要聚焦月球南极，及全月遥感探测，其中着陆任务的一项重要使命就是找水。为了着陆月球南极狭小的连续光照区，嫦娥七号还将突破月面定点着陆技术。

在过去的一段时间看来，既然嫦娥七号是在嫦娥六号之前发射，那么嫦娥七号突破的月面定点着陆技术，自然也可以移植到嫦娥六号上。这样一来，嫦娥六号就可以确保降落在嫦娥七号旁边，从而形成嫦娥七号先行探测，嫦娥六号后至采样返回的任务协作关系。

想象是美好的，但进行任务设计时还是要考虑具体的实际情况。

首先是嫦娥六号任务的约束，该探测器是嫦娥五号的备份探测器，两个探测器的器件生产间隔时间并不长，这也意味着嫦娥六号相关器件在地面长期处于贮存状态，而探测器并不能长期处于贮存状态。

比如当年由于 CZ-5 遥二火箭发射失败，嫦娥五号探测器被迫推迟了三年时间，在此期间为了贮存嫦娥五号是做了很多准备的，解除贮存状态后还要进行各种测试，以确认探测器是否具备执行任务的能力状态。

就是说，嫦娥六号也不能因为嫦娥七号而长期等待下去，需要尽早发射。

除了发射时间的约束，还有探测器的能力约束。嫦娥六号作为嫦娥五号的备份，其设计可登陆的纬度是月球中低纬度区域，如果登陆高纬度极区，在那里太阳高度角非常低，需要太阳能电池板呈竖直状布置，加之月面地形阻挡光照，约束条件更多，这就必然导致太阳能电池板的发电功率下降，进而难以支撑包括月表采样与月表钻取采样任务的实施，需要对嫦娥六号进行更大规模的改造。

现在我们都知道了，嫦娥六号并不计划去月球南极采样，而是赴月球背面南半球的中纬度区域采样，这就需要中继卫星的支持。

目前唯一在轨的鹊桥号中继卫星早已进入超期服役阶段，我们不可能将月球采样返回这种重大任务寄希望于一颗随时可能退役的中继卫星身上，因此必须发射新的中继卫星——鹊桥二号。

这意味着鹊桥二号必须在嫦娥六号发射之前完成发射与部署，变相要求嫦娥七号也在嫦娥六号之前发射，因为此前鹊桥二号是嫦娥七号的一部分。

但是，嫦娥七号作为一款多器组合的大规模探测器，其研制任务难度是很大的，比如月面定点着陆技术、飞跃探测器、以及众多的高价值科学探测载荷，需要更长的研制准备时间，客观上并不能先于嫦娥六号发射，所以，将鹊桥二号与嫦娥七号分离，前者作为一个独立航天器进行发射就势在必行。

鹊桥二号现如今已经是一个独立的航天发射任务，与鹊桥号部署于地月拉格朗日L2点环绕轨道不同，鹊桥二号的目标轨道是绕月大椭圆倾斜冻结轨道，特点是有更大的轨道倾角，同时远月点在月球南极一侧，这样就能确保卫星过顶月球南极时有更长的中继通信时间，这条轨道还有一个好处就是燃料消耗极少，使得鹊桥二号的设计寿命可以长达8至10年。

按照计划，明年3月，鹊桥二号将率先发射，其第一个任务就是为嫦娥六号月背采样返回任务进行中继通信服务，所以它会先进入有利于延长与嫦娥六号月背通信时间的轨道，之后再调整至目标轨道，以服务后续的嫦娥七号月球极区探测任务。

即便进入服务月球极区探测的目标中继通信轨道之后，鹊桥二号也具备月背中继通信能力，从而可以接棒鹊桥号，以延长目前正在月球背面冯·卡门撞击坑内执行原位与巡视探测任务的嫦娥四号探测器的工作寿命。

鹊桥二号与嫦娥七号分开各自奔月，还有一个利好，就是解放了嫦娥七号着陆器顶部空间。

先来看看嫦娥七号的详细任务介绍：中国探月工程四期嫦娥七号任务将开展月球南极的环境与资源勘查，包括月球南极月表环境、月壤水冰和挥发组分等探测任务，获取全月球、着陆区与巡视区域的遥感和就位科学数据，并为月球科研站建设奠定基础。

要完成这么多任务，自然就需要更多不同分工的探测器。

按照老构型，嫦娥七号是由轨道器、着陆器、月球车、中继星、飞跃探测器组成，整体构型延续了嫦娥五号的总体布置。所不同的是，轨道器支撑舱里没有了返回器，着陆器上方的上升器换成了中继星与飞跃探测器，月球车则布置在着陆器的侧壁，这与此前玉兔号、玉兔二号两辆月球车布置于着陆器顶部不同。

在嫦娥七号老构型中可以看到，由于受中继星的位置挤占，飞跃探测器整体规模非常小，在老构型中，飞跃探测器真的最多就只能搭载一台科学探测载荷，工作能力有限。

而在嫦娥七号新构型中，没有了中继星，着陆器顶部空间就可以完全留给飞跃探测器，这就使得“飞跃探测器”这个小家伙一下子长大了很多。

飞跃探测器是做什么用的？

飞跃探测器可以视作是一款具备反复起飞与反复着陆功能的着陆器，随嫦娥七号着陆器登月之后，飞跃探测器从着陆器顶部起飞并着陆月面。

话说自天问一号火星探测任务开始，航天人在提高探测任务面向公众的工程展示度方面就有了很多玩法，比如利用分离相机拍摄天问一号整器深空自拍、分离相机拍摄祝融号火星车与着陆平台合影、分离相机拍摄环绕器与火星合影等等。

嫦娥七号在提高工程展示度方面也可以有很多有意思的操作，比如飞跃探测器着陆月面后，会与着陆器、玉兔三号月球车实现三器互拍，这画面一定是相当震撼。

再比如NASA的毅力号火星车，它可以拍摄机智号火星无人机的飞行画面，我们的着陆器或者月球车同样也可以拍摄飞跃探测器在月面上空的飞行画面。

完成三器互拍后，飞跃探测器将择机飞入一个永久阴影坑着陆，直接获取水冰资源存在与否的证据。

飞跃探测器还将配置钻进采样装置，利用回传冲击钻在永久阴影区坑底钻取月壤，钻进深度可达1米量级，并通过样品转移机构将月壤传递至水分子分析仪进行分析研究。

月球是无大气真空环境，飞跃探测器是如何跳跃飞行的呢？

肯定是不能像火星上的机智号无人直升机那样使用旋翼，飞跃探测器的动力是基于燃料消耗的火箭发动机。它不仅能飞，还能基于着陆腿的差动运行实现月面爬行机动。

降落至永久阴影区坑底后，飞跃探测器可以利用月面爬行功能离开反推发动机羽流影响区域，移动至一块比较干净的月面进行采样分析研究，从而获得更为真实的水冰探测数据。

完成永久阴影区探测任务后，飞跃探测器再次起飞至阳照区着陆。

飞跃探测器总共要完成三次起飞与着陆，分别是，飞离着陆器至月面、飞赴永久阴影区、永久阴影区坑底起飞。

三次飞行任务完成后，飞跃探测器的燃料也将消耗殆尽，之后它还可以利用月面爬行功能实现在阳照区的广域移动与采样分析任务。月球极区的阳照区通常有很长的连续光照时间，所以即便飞跃探测器没有配置月夜保温装置，也可以有两三个月的设计寿命。（除飞跃探测器外，嫦娥七号其它各器设计寿命均不低于8年，是典型的长寿命设计。）

话说，越长越大的飞跃探测器究竟有多重呢？

这个问题可以从嫦娥五号身上找到线索，因为嫦娥七号的着陆能力其实与嫦娥五号的着陆器与上升器组合体的着陆能力一致。

嫦娥五号发射质量8.2吨，其中轨道器4吨、返回器0.3吨、着陆器2.931吨、上升器0.769吨、轨道器与返回器组合体的支撑舱约0.2吨。

嫦娥五号着陆月面的着陆器与上升器组合体的发射质量约3.7吨，这也意味着嫦娥七号执行登月任务的探测器发射质量也会在3.7吨左右。

嫦娥五号着陆器携带的上升器发射质量基本可以与嫦娥七号着陆器携带的月球车+飞跃探测器的总和画等号，也就是说，玉兔三号月球车+飞跃探测器的总吨位也大致会在0.769吨左右。

以玉兔二号月球车为例，其重量是0.14吨，嫦娥七号携带的玉兔三号会略重，但总体设计方案基本继承，重量估计有0.15吨，那么飞跃探测器的重量就是0.6吨左右。

也就是说，飞跃探测器比玉兔三号月球车重得多，而且外观尺寸从公开的构型图看，也要大一些。

之所以飞跃探测器更大更重，也是因为三次月面飞行任务需要消耗大量的燃料，加上探测器规模的扩大，需要布置钻进采样装置。

飞跃探测器可能还要继承嫦娥五号的一个减重设计

嫦娥五号的着陆能力其实是继承于嫦娥三号，嫦娥五号着陆器携带的0.769吨重的上升器相较于嫦娥三号携带的0.14吨重的月球车，其实已经是超重。

嫦娥五号着上组合体解决超重问题的办法主要有两个，首先是优化着陆程序设计。

嫦娥系列登月着陆任务一般分为主减速段、快速调整段、接近段、粗避障段、悬停段、精避障段、缓速下降段，其中主减速段行程最长，此阶段主要依靠反推发动机满功率运行，承担大部分的减速任务。

嫦娥三号动力减速段的终点高度是距月面约3公里，嫦娥五号则是将此段的终点高度下调至2.5公里，从而让动力减速段承担更多的减速任务，减轻后续阶段的减速压力。

再就是嫦娥五号着陆器与上升器共用一套飞控设备，着陆器不再单独配置飞控设备，这样一来着陆器就实现了减重，上升器还可以继续用这套飞控设备服务月面起飞任务。

嫦娥七号也完全可以沿用嫦娥五号的这两个办法，尤其是飞跃探测器与嫦娥五号上升器一样，都有着陆月球后的再起飞任务，都要用到飞控设备。

随着时间的推移，探测器搭载的各类器件的小型化设计制造能力也会进一步提高，省下来的重量都可以转化为载荷搭载能力。

越来越多的深空探测实战任务让我们的探测器设计制造水平不断迭代，而这正是我们中国航天永远值得期待的底气所在。