科学家讲述嫦娥落月“黑色720秒”的台前幕后

25日起，嫦娥三号月球探测器的着陆器和巡视器相继进入月夜休眠，忙碌已久的航天人终于可以暂时松口气，仔细梳理第一阶段的各项科学探测和数据搜集。记者来到中科院上海技术物理研究所，听这里的科学家们讲述了嫦娥落月“黑色720秒”里那些不为人知的台前幕后。

“黑色720秒”，是指“嫦娥三号”月球探测器从15公里高度降至月球表面的这12分钟。之所以称之为“黑色”，是因为足够惊心动魄：重达3780公斤的嫦娥“三姑娘”，要完全依靠自主控制，完成降低高度、测距、测速、选择着陆点、自由落体着陆等一系列动作。而在这期间，地面人工干预的可能性几乎为零。

就在这地面航天人“手足无措”的720秒内，由中科院上海技术物理研究所研制的激光测距敏感器和激光三维成像敏感器发挥了至关重要的作用，它们既是“三姑娘”的“眼睛”，又是其成功落月的最大“功臣”。

“月球探测器的着陆过程需要核心解决三件事：一是高度与姿态的测量；二是发动机推力的控制；三是对100米悬停避障的测量和把控。”上海技术物理研究所研究员舒嵘介绍说。

激光测距敏感器，是着陆器上最早开机的设备，其主要作用是，在嫦娥飞入月球表面15公里轨道以后，全程监测“三姑娘”与月面的距离，并“兼职”算出其落月的速度，从而不断完成动力下降阶段对嫦娥“三姑娘”着陆姿态的控制，辅助其向着陆区降落。该仪器在嫦娥落月的过程中，每一秒就发射两次激光，以此获取精度在0.2米的月距高度。虽然操作原理一目了然、简单易懂，然而在执行的过程中，科学家们还是碰到了不小的麻烦。

负责激光测距敏感器项目的研究员黄庚华回忆道，在预定着陆时间的前半个小时，激光测距敏感器就开机了，然而此时激光的光轴却并未与月面建立垂直的关系，而是与着陆器一起以倾斜的姿态下降。“激光光束是‘擦着’月面斜射过去，很难测量出具体数据。站在指挥现场，迟迟看不到数据让我们非常紧张。”黄庚华说，“那时，我们曾不断向控制中心询问，激光的光轴什么时候才能转过来？嫦娥的姿态什么时候才能调整完毕？”

直到“三姑娘”下降到距月面35公里左右时，屏幕上“跳出”了“40公里”的数据，科学家们才松了一口气。“这说明激光测距敏感器已通过斜距测量获得了具体数据，设备整体工作状态是正常的。”随后，激光测距敏感器表现非常平稳，从15公里一直到15米，在高性能“倒车雷达”激光测距敏感器的精确“指引”下，“三姑娘”后来稳稳着陆。

解决了“嫦娥”降落高度与姿态的问题，还要解决“往哪里落”的问题。“虽说嫦娥三号的预选着陆区——虹湾地势相对平坦，但它的表面仍然存在高坡、陨石坑、大石块等诸多不确定因素，所以精确避障极为重要。”中科院上海分院副院长、上海技术物理所研究员王建宇表示。

激光三维成像敏感器就承担了为“三姑娘”精确避障、确定安全着陆区的“光荣使命”。负责激光三维成像敏感器项目的研究员徐卫明介绍说，“在预定着陆时间的前4分半钟，激光三维成像敏感器开机，待嫦娥到达距月面100米的悬停位置正式开始工作。它的主要任务是采集月面的三维图像，将高于20厘米的石头或低于20厘米的坑识别出来，从而在一个长宽都是50米的区域内找出一个长宽都是10米的安全着陆区。”

与激光测距敏感器相比，激光三维成像敏感器发挥作用的时间非常短，在“黑色720秒”中只工作了大约4秒钟：前0.25秒用来完成扫描成像，剩下的约3秒时间完成计算。“嫦娥在距月面100米的位置最长的悬停时间只有30秒，在这个过程中，激光三维成像敏感器只有3次拍照机会。幸运的是，我们第一次扫描就成功了，直接找出了合适的着陆区，通过一次自主实施平移，就顺利避开了地面障碍物、从容着陆。”徐卫明高兴地说。

“最后100米的落月环节风险最大、也是最不可控的。激光测距敏感器还有一次关机再开的机会，而激光三维成像敏感器如若出现问题，该功能将立即被放弃，嫦娥三号也只能直接降落，在这种情况下，无论底下什么情况都没办法补救，所以我们最担心这一环节。”舒嵘说，“这次探月，我们到达了一个前人完全没有去过的‘未知’区域。月面的特性，例如陨石坑、高坡等，我们其实并不知道它们具体在哪里。实际上，从后来传回的照片可以看出，在着陆器正前方约10米的位置处就有一个很大的深坑。”(王琳琳)