廣寒宮烙上中國(guó)印

毅飛

2013年12月2日1時(shí)30分，“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，首次實(shí)現(xiàn)月球軟著陸和月面巡視勘察。10日成功降軌。15日凌晨，玉兔號(hào)月球車小心翼翼地從“嫦娥三號(hào)”著陸器上駛出來(lái)，緩緩開到布滿塵埃和礫石的月球表面，“廣寒宮”迎來(lái)了來(lái)自中國(guó)的新客人。15日晚，正在月球上開展科學(xué)探測(cè)工作的“嫦娥三號(hào)”著陸器和巡視器進(jìn)行互成像實(shí)驗(yàn)，“兩器”順利互拍，“嫦娥三號(hào)”任務(wù)取得圓滿成功。

“嫦娥三號(hào)”任務(wù)是世界上第130次探測(cè)月球，對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，是連續(xù)第三次探月任務(wù)取得成功，使中國(guó)成為世界上第三個(gè)掌握月球軟著陸和月面巡視探測(cè)技術(shù)的國(guó)家?！版隙鹑?hào)”任務(wù)的圓滿完成，標(biāo)志著我國(guó)探月工程“繞、落、回”第二步戰(zhàn)略目標(biāo)的全面實(shí)現(xiàn)，在我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展中具有重要里程碑意義。讓我們一起看看“玉兔”身上的高科技裝備，一起聽聽探月專家們聊“嫦娥三號(hào)”在本次任務(wù)中一些鮮為人知的故事。

揭秘“玉兔”身上的高科技裝備

2013年12月14日晚，“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器帶著“玉兔號(hào)”月球車翩然落月，讓流傳千年的美麗神話成為現(xiàn)實(shí)。接下來(lái)，“玉兔”將離開“嫦娥”的懷抱，探索這片神奇的土地。

記者近日從“玉兔號(hào)”的研制單位—— 中國(guó)航天科技集團(tuán)公司了解到，為讓它能在月球健康生活、圓滿完成任務(wù)，科技人員考慮得細(xì)致入微，并給它安裝了各種高科技裝備。

密封圈幫“玉兔”抵御月塵

阿波羅號(hào)宇航員登月后回憶說(shuō)，飛船著陸的一剎那，四周揚(yáng)起的月塵使他驚呆了。

由于月球上沒有風(fēng)，且重力只有地球的六分之一，月塵揚(yáng)起來(lái)后會(huì)長(zhǎng)時(shí)間懸浮在半空中。這讓科技人員不禁擔(dān)憂：“玉兔”在月面行動(dòng)，會(huì)帶起多大的揚(yáng)塵？對(duì)它的“健康”會(huì)造成多大影響？

為此，航天科技集團(tuán)總環(huán)部模擬月塵項(xiàng)目組通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，對(duì)真空環(huán)境下月球車三種花紋車輪的臨界起塵點(diǎn)、轉(zhuǎn)速與起塵高度的試驗(yàn)規(guī)律、揚(yáng)塵顆粒的速度矢量、揚(yáng)塵顆粒的尺寸范圍、揚(yáng)塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和范圍等開展了研究。通過(guò)計(jì)算修正，首次在國(guó)內(nèi)得出月面條件下三維車輪揚(yáng)塵參數(shù)，為后續(xù)探月工程月球車揚(yáng)塵問(wèn)題提供了重要參考。

研究發(fā)現(xiàn)，這些直徑小于1毫米的月塵，破壞力不容小視。尤其是侵蝕到月球車的活動(dòng)部件，將造成部件磨損，降低其使用壽命。防塵密封圈因此成為“玉兔”正常工作的必要保障。

該集團(tuán)公司八院承擔(dān)了這項(xiàng)工作，首先面臨的難題是材料。月面環(huán)境十分惡劣，且不說(shuō)高真空、強(qiáng)輻射等特點(diǎn)，光是150攝氏度到零下180攝氏度的溫差，足以將各種普通材料拒之門外。同時(shí)，登月產(chǎn)品對(duì)輕量化有嚴(yán)格要求，這也排除了過(guò)于復(fù)雜的機(jī)械密封手段。

科技人員還是選擇了輕盈的塑料和橡膠，但為其配方大費(fèi)周章。每次新配比的材料都要經(jīng)過(guò)硬度、磨耗系數(shù)等多項(xiàng)測(cè)試。經(jīng)過(guò)不斷探索，終于將選材問(wèn)題圓滿解決。

密封圈的設(shè)計(jì)也是難點(diǎn)。稍微松一點(diǎn)，塵土?xí)秩?；稍微緊一點(diǎn)，不僅增加活動(dòng)關(guān)節(jié)的摩擦阻力，還會(huì)加大自身磨損。月球車共有6種不同尺寸的活動(dòng)關(guān)節(jié)需要防塵密封，科技人員針對(duì)各關(guān)節(jié)的不同尺寸、不同轉(zhuǎn)速、不同力矩、不同安裝部位等，細(xì)化了對(duì)密封圈的技術(shù)要求，并分別對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)，不斷優(yōu)化改進(jìn)。經(jīng)過(guò)2年時(shí)間、60多次試驗(yàn)，他們做出了主副唇雙密封層的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，完成了雙密封圈串聯(lián)安裝以及密封唇過(guò)盈量?jī)?yōu)化，可確保防塵密封效果。

乘導(dǎo)軌離開“嫦娥”懷抱

登月后，“玉兔”想要“四處撒歡”，先得從“嫦娥”身上下來(lái)。但它位于“嫦娥三號(hào)”頂部，怎么下是個(gè)問(wèn)題。

科技人員為它設(shè)計(jì)了兩根轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)懸梯導(dǎo)軌，只要它能精確地將左右車輪分別行駛到兩根導(dǎo)軌上，保持穩(wěn)定，就能安全到達(dá)月面。

但其實(shí)，想要保持穩(wěn)定并不簡(jiǎn)單。一是“嫦娥三號(hào)”的最終著陸點(diǎn)未必平坦，如果出現(xiàn)傾斜，兩根導(dǎo)軌之間也會(huì)存在傾斜角度；即使落點(diǎn)地勢(shì)較平，在釋放懸梯導(dǎo)軌的過(guò)程中，月球車車輪也可能滑動(dòng)，萬(wàn)一滑落，后果不堪設(shè)想。

為防止出現(xiàn)這樣的悲劇，航天科技集團(tuán)八院科技人員對(duì)月球車靜態(tài)穩(wěn)定性開展了攻關(guān)。他們從車輪的棘爪入手，使其能與導(dǎo)軌懸梯上的棘齒咬合，再引入“DSP+FPGA”架構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，提高控制精度，確保車輪零轉(zhuǎn)速保持，就能讓月球車穩(wěn)穩(wěn)地停在導(dǎo)軌上。

除了用于安全分離，“玉兔”腳上的棘爪還有助于提高它的通過(guò)能力。月面上的地形千奇百怪，不僅有平原，還有起伏的山巒、崎嶇的高地，都覆蓋著幾十厘米至幾十米厚的月壤。月壤松軟、干燥，呈沙土狀，普通車輪很容易下陷或打滑，提高車輪的直徑和寬度，又勢(shì)必增加重量?？萍既藛T提出了這種帶有棘爪的篩網(wǎng)輪設(shè)計(jì)構(gòu)想，經(jīng)過(guò)掛鉤牽引力、適應(yīng)性、承載力等測(cè)試，效果出人意料。

在保證月球車行駛和越障能力方面，科技人員采用了獨(dú)立轉(zhuǎn)向的構(gòu)型方案。如果單側(cè)某一車輪越過(guò)20厘米高的障礙時(shí)，月球車能在差動(dòng)機(jī)構(gòu)和搖臂作用下被動(dòng)適應(yīng)月面地形，讓所有車輪均與月面接觸。即使行進(jìn)間某個(gè)輪子被卡住，其他獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車輪也能幫助它擺脫困境。

精密“大腦”為“玉兔”指引方向

開展月面探測(cè)，“玉兔”必須隨時(shí)明確三個(gè)問(wèn)題：“我在哪”“我要去哪”和“我怎么去”，這需要一個(gè)精密的“大腦”。我國(guó)首套巡視探測(cè)GNC系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)了此項(xiàng)重任。

該系統(tǒng)由航天科技集團(tuán)五院耗費(fèi)十年研發(fā)而成，讓“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。

知道自己的位置，是月球車實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和對(duì)地通信的根本。但月面環(huán)境具有低重力、弱磁場(chǎng)、真空和輻射等特點(diǎn)，在地球應(yīng)用成熟的指南針、導(dǎo)航儀等手段都不可用，加之月球車有嚴(yán)苛的重量和功耗約束，其定位方式的選擇更是難上加難?？萍既藛T經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)研論證，走訪了多家國(guó)內(nèi)機(jī)器人和野外車輛研究院所，完成了上千次數(shù)學(xué)仿真，最終找到了適合月球車的導(dǎo)航定姿定位方案，并確定了導(dǎo)航敏感器指標(biāo)。

想知道“我要去哪”，要求月球車具備一雙明亮的“眼睛”，讓它能在陌生的月面看清周圍的地形。五院研發(fā)了我國(guó)首套月球雙目視覺在軌三維恢復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有兩個(gè)鏡頭，能把“看”到的二維地形信息經(jīng)過(guò)處理運(yùn)算后，變成三維坐標(biāo)信息。盡管月面被塵土覆蓋，紋理不清；太陽(yáng)斜照，地面上陰影遍布，但在這雙“眼睛”的幫助下，“玉兔”照樣能準(zhǔn)確地辨別障礙。

目的地確定了，怎么去？“玉兔”必須自己尋找一條安全的道路?？萍既藛T找遍了國(guó)內(nèi)外所有能查到的路徑規(guī)劃方法，逐一進(jìn)行適用性研究和仿真驗(yàn)證，最終提出了自己的路徑規(guī)劃方法。找到了路，還要具備準(zhǔn)確沿路徑行駛的能力?！坝裢谩辈捎玫氖橇啌u臂式移動(dòng)裝置，六個(gè)輪子都能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，其中四個(gè)角輪可以轉(zhuǎn)向，但除了自身運(yùn)動(dòng)能力外，考慮月面松軟月壤下的輪土接觸力學(xué)關(guān)系，減少滑移等現(xiàn)象。針對(duì)這些因素，科技人員設(shè)計(jì)了十多種運(yùn)動(dòng)控制律，經(jīng)過(guò)千余次仿真驗(yàn)算，最終確定了協(xié)調(diào)的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)規(guī)劃路徑的準(zhǔn)確跟蹤控制。

太陽(yáng)翼白天遮陽(yáng)晚上保暖

白天工作完了，“玉兔”在晚上也要“睡覺”，此時(shí)，它獨(dú)特的太陽(yáng)電池翼可以發(fā)揮“被子”的作用。

由于月夜溫度可低至零下180攝氏度，月球車進(jìn)入睡眠狀態(tài)后，其“腹腔”內(nèi)的設(shè)備如果完全暴露在極寒環(huán)境下，必然被損壞。為此，“玉兔”會(huì)把太陽(yáng)電池翼收攏，裹在“肚子”上保暖。

相比目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)航天器太陽(yáng)翼的一次性展開方案，“玉兔”這樣能重復(fù)展開的太陽(yáng)翼，給科技人員帶來(lái)了更大挑戰(zhàn)。

通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、反復(fù)論證和不斷改進(jìn)，科技人員最終確定了兩翼展開式設(shè)計(jì)方案，-Y太陽(yáng)翼為一次展開并鎖定在-190°位置；+Y太陽(yáng)翼可重復(fù)展開，除實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向功能外，還能在月夜休眠階段收攏至零位狀態(tài)保溫，在月午溫度較高期間能豎起展開到90°遮陽(yáng)，這在其他航天器上從未應(yīng)用過(guò)。

為了保證太陽(yáng)翼適應(yīng)月面惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，科技人員一方面增加地面試驗(yàn)的次數(shù)，另一方面提高了地面試驗(yàn)的難度。比如溫度適應(yīng)方面，地面試驗(yàn)中做到了零下200攝氏度到165攝氏度，以確保產(chǎn)品的可靠性。

在地球造月宮開展演習(xí)

盡管給“玉兔”帶上了大量“戶外裝備”，科技人員仍擔(dān)心它難以適應(yīng)月球環(huán)境。怎么辦？干脆造一座“月宮”讓它演練一下。航天科技集團(tuán)實(shí)施的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，成為這次試驗(yàn)任務(wù)的一大亮點(diǎn)。

要最大程度地營(yíng)造月面環(huán)境，除了低重力環(huán)境、超過(guò)300攝氏度溫差的高低溫環(huán)境、超高真空環(huán)境等因素外，光是模擬月壤、月貌就讓科技人員大費(fèi)周章。

月壤顆粒的中值粒徑大約在40至200微米之間，平均約70微米。科技人員翻閱了大量資料，選取了多種火山灰進(jìn)行比對(duì)，在分析礦物組成、化學(xué)成分、相似的顆粒粒度、機(jī)械強(qiáng)度、密度和力學(xué)性能等物理特性，并綜合價(jià)格、運(yùn)輸條件等外部因素后，選取了東北長(zhǎng)白山的火山灰作為模擬月壤。他們把不同中值粒徑的模擬月壤按照試驗(yàn)需求鋪裝在不同區(qū)域，最終建成了月表綜合形貌實(shí)驗(yàn)室。

在這間塵土飛揚(yáng)、沒有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室里，科技人員陪同“玉兔”開展了艱苦的訓(xùn)練。僅移動(dòng)分系統(tǒng)極限能力試驗(yàn)行駛里程就累計(jì)超過(guò)20公里，爬坡次數(shù)、越障次數(shù)各達(dá)到700多次，一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)讓月球車的安全系數(shù)不斷提高。有這些充分、扎實(shí)的前期工作為基礎(chǔ)，相信“玉兔”一定能在月球上做出精彩表現(xiàn)。

聽探月專家們聊“嫦娥三號(hào)”那些事

隨著月面上五星紅旗照片傳回地球，“嫦娥三號(hào)”任務(wù)已取得圓滿成功。2013年12月17日，中國(guó)科協(xié)在北京舉辦第35期“科學(xué)家與媒體面對(duì)面”活動(dòng)，邀請(qǐng)了探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁、“嫦娥三號(hào)”任務(wù)運(yùn)載火箭系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師劉建忠、探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張熇以及地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師蘇彥，向媒體和公眾講述了本次任務(wù)中一些鮮為人知的故事。

200多預(yù)案一個(gè)都沒用上

航天工程具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高技術(shù)的“三高”特點(diǎn)，通常來(lái)說(shuō)，每次任務(wù)所用的新技術(shù)、新產(chǎn)品不會(huì)超過(guò)30%，以求風(fēng)險(xiǎn)可控。然而嫦娥三號(hào)任務(wù)中的新設(shè)備、新技術(shù)卻達(dá)到80%，信心從何而來(lái)？

吳偉仁說(shuō)，本次任務(wù)中，月球車、著陸器的設(shè)計(jì)，以及月面軟著陸的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)基本上都是空白，必須全部從頭開始。這樣風(fēng)險(xiǎn)很大，要精心設(shè)計(jì)、計(jì)算、制造，確保質(zhì)量才可能成功。

他表示，“嫦娥三號(hào)”從發(fā)射、軟著陸，到兩器分離、互拍，每一步都完成得完美、精準(zhǔn)，甚至比預(yù)想的還順利。

其實(shí)，科研人員在按照最好結(jié)果努力的同時(shí)，也作了最壞的準(zhǔn)備。吳偉仁介紹，本次任務(wù)中科研人員準(zhǔn)備了200多個(gè)故障預(yù)案，包括每出現(xiàn)一個(gè)故障該采取什么措施，轉(zhuǎn)移到什么程度，都準(zhǔn)備得非常精細(xì)?！敖Y(jié)果到現(xiàn)在，這些預(yù)案一個(gè)都沒用上?！彼f(shuō)。

“玉兔”前面的坑躲過(guò)了嗎

15日凌晨4點(diǎn)35分，“嫦娥三號(hào)”著陸器伸出雙臂，將“玉兔號(hào)”月球車穩(wěn)穩(wěn)地放在月面，讓人們振奮不已。但直播畫面中，“玉兔”右前方的一個(gè)大坑，卻令不少人擔(dān)憂——“在接下來(lái)的工作中，‘玉兔能躲過(guò)這個(gè)坑么？”

據(jù)介紹，這個(gè)坑直徑約20米，深度大概2至3米。不過(guò)張熇給大家送上了定心丸?！斑@個(gè)坑離著陸器還有十幾米的距離，巡視器也有自己的導(dǎo)航路徑規(guī)劃，可以繞開這個(gè)坑走，不會(huì)受影響?！彼f(shuō)。

“嫦娥三號(hào)”著陸后，張熇看到監(jiān)視相機(jī)拍的圖像，先是覺得非常幸運(yùn)，隨即感覺很成功。她說(shuō)，照片中可以看到這個(gè)坑，還有一些石塊，但著陸器落腳的地方非常平坦，說(shuō)明我們自己設(shè)計(jì)的導(dǎo)航很好地實(shí)現(xiàn)了自主避障功能。

“黑色720秒”說(shuō)法并不準(zhǔn)確

嫦娥三號(hào)任務(wù)中，實(shí)施月面軟著陸的過(guò)程約12分鐘，最為驚心動(dòng)魄，被許多人稱為“黑色720秒”。張熇表示，這一說(shuō)法并不準(zhǔn)確。

“通常我們把航天器和地面完全無(wú)法通訊聯(lián)系的過(guò)程叫做‘黑色。”她說(shuō)，“嫦娥三號(hào)”軟著陸期間，所有的遙測(cè)數(shù)據(jù)都能傳回地面，通信并沒有斷開。

然而地面對(duì)這一過(guò)程卻很難干預(yù)，只能由“嫦娥三號(hào)”自主完成。張熇說(shuō)，“嫦娥三號(hào)”下降的速度非?？?，要實(shí)時(shí)判斷下降速度、高度、月表地形等，并隨時(shí)作出調(diào)整。如果將數(shù)據(jù)傳回地面，地面完成判斷后再發(fā)出指令，這個(gè)過(guò)程至少需要幾秒鐘，很難實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的控制。

8臺(tái)科學(xué)設(shè)備已有6臺(tái)開機(jī)

盡管工程目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)，但“嫦娥”和“玉兔”還將開展一系列科學(xué)探測(cè)。

蘇彥表示，“嫦娥三號(hào)”的科學(xué)探測(cè)任務(wù)可以用6個(gè)字來(lái)總結(jié)：巡天、觀地、測(cè)月，這是人類史上第一次利用著陸器就位和巡視器巡視相結(jié)合的探測(cè)。根據(jù)著陸器的靜止特點(diǎn)配備了月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機(jī)、降落相機(jī)和地形地貌相機(jī)；結(jié)合巡視器要運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)配備了測(cè)月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外成像光譜儀和全景相機(jī)，共計(jì)8臺(tái)科學(xué)儀器。

她說(shuō)，“巡天”是利用月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月球上開展天文觀測(cè)，由于月球沒有大氣干擾，觀測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)，看得更清楚；“觀地”是用極紫外相機(jī)對(duì)地球等離子體層進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)時(shí)記錄陽(yáng)光、磁層、大氣層的相互作用，為空間科學(xué)研究和自然災(zāi)害預(yù)報(bào)提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以前在地球上只能觀測(cè)到局部，在月球則具有整體觀測(cè)優(yōu)勢(shì)。

“測(cè)月”則是指利用粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外成像光譜議測(cè)量月球上的礦物和成分，借助測(cè)月雷達(dá)局部區(qū)域進(jìn)行精密剖析。

蘇彥介紹，8臺(tái)設(shè)備中目前已有6臺(tái)開機(jī)，包括降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、測(cè)月雷達(dá)、全景相機(jī)和極紫外相機(jī)。“希望這些設(shè)備能很快給我們帶來(lái)更多驚喜，讓我們對(duì)月球有更深的了解?！彼f(shuō)。

鏈接

月球上有哪些中國(guó)人名與地名？

月球，這個(gè)地球的近鄰上有沒有留下中國(guó)人的名字呢？有！

從望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明開始，人類陸續(xù)續(xù)對(duì)月球上的一些地形單元進(jìn)行了命名。從1935年開始，國(guó)際月面地名命名委員會(huì)相繼對(duì)這些地名進(jìn)行了整理和確認(rèn)。2010年，我國(guó)利用嫦娥工程影像數(shù)據(jù)首次申報(bào)“月球地理實(shí)體命名”，獲得國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)批準(zhǔn)。月面上的三個(gè)撞擊坑用我國(guó)著名科學(xué)家蔡倫、畢昇和張鈺哲的名字來(lái)命名。

根據(jù)國(guó)防科工局的資料統(tǒng)計(jì)，月球上共計(jì)有14個(gè)以中國(guó)人名和地名命名的19個(gè)月球地理實(shí)體，包括12個(gè)撞擊坑、2個(gè)月溪和5個(gè)衛(wèi)星坑。

這14個(gè)中國(guó)人名和地名包括：石申、蔡倫、張衡、祖沖之、李白、畢昇、郭守敬、萬(wàn)戶、高平子、張鈺哲、神話傳說(shuō)中嫦娥和瓷都景德鎮(zhèn)。此外，1976年和1985年有兩條月球正面的月溪被外國(guó)人分別用兩位中國(guó)婦女的名字命名。由于文獻(xiàn)資料的缺乏，至今無(wú)法確認(rèn)這兩位發(fā)音為“Wan-Yu”和“Sung-Me”的中國(guó)女性是誰(shuí)。