“軟著陸”是相對于“硬著陸”方式而言的。通常有兩種意思,一種是物理意義上的著陸,另一種則是引申意義的著陸。軟著陸是航天器經專門減速裝置減速后,以一定的速度安全著陸的著陸方式。
我國嫦娥三號探測器將在近月點15公里處進行動力下降,接著實現月面軟著陸,然后再進行月面巡視勘察。這15公里的動力下降,是以拋物線下降。探測器的相對速度要從1.7公里/秒逐漸減為0,過程主要靠探測器自主來完成,人工干預的可能性幾乎為零。距月面100米處時,探測器還要懸停,對月面進行拍照,避開障礙物,尋找著陸點。對于地面工程人員來說,這一過程尚屬首次,存在兩大風險。一是關鍵設備都是新研制的,包括GNC系統(制導、導航與控制系統)和我國首臺全新的7500牛變推力空間發動機。二是軟著陸區域的地形地貌存在一定程度的不確定性。
在整體著陸過程中,首先要提到的是它的動力系統。不同于嫦娥一號和二號使用的固定推力的490牛發動機,嫦娥三號使用了先進的大推力變推力發動機。這一方面是由于嫦娥三號質量大增,單臺490牛發動機無法支持探測器的垂直降落,但更主要的是為了靈活調節在軟著陸下落過程中的推力。嫦娥三號使用了我國航天動力研究院專門研制的1500~7500牛變推力發動機作為推進系統的主發動機,這臺變推力發動機不僅用于嫦娥三號的軟著陸任務,還將用于完成嫦娥三號直接奔月軌道飛行期間的中途修正、近月制動和變軌任務。
按照預定程序,嫦娥三號在100千米高度圓形繞月軌道運行數圈穩定狀態后,變推力發動機將擇機點火,使嫦娥三號減速進入100千米×15千米橢圓形軌道,但嫦娥三號在15公里近月點時仍有高達1.6千米/秒的高速度。所以變推力發動機在15千米近月點要再次點火,并進行較長時間的持續工作,將嫦娥三號的水平速度快速降低,當嫦娥三號高度降低到2千米左右時,其水平速度將降低到0千米/秒。隨后,姿控發動機將嫦娥三號姿態從底部朝前調整為底部朝下,開始進入垂直受控下落階段。嫦娥三號將在變推力發動機的反推下逐漸下落,在距離月面100米高度進行懸停,通過星載的著陸相機拍攝月面地貌,智能選取合適的著陸場區。嫦娥三號最后下降到4米高度后,變推力發動機先將垂直速度降低到0米/秒,隨后關機,嫦娥三號以自由落體降落在月球表面。
可見,嫦娥三號的軟著陸過程非常復雜,變推力主發動機在其中起到了至關重要的作用,是嫦娥三號研制的主要難點之一。