“嫦娥”里的“上海神器”

陳冰

嫦娥四號(hào)是世界首顆在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器，它由著陸器、巡視器，以及“鵲橋”中繼衛(wèi)星組成。在整個(gè)任務(wù)中，中國(guó)航天科技集團(tuán)八院，也就是上海航天承擔(dān)了著陸器與巡視器上五個(gè)半分系統(tǒng)的研制。上海制造的強(qiáng)大基因，助力嫦娥四號(hào)成功開(kāi)啟人類首次月背探測(cè)之旅。

多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上海提供

嫦娥四號(hào)最初是作為嫦娥三號(hào)任務(wù)的備份星而與嫦娥三號(hào)同時(shí)研制的。

嫦娥四號(hào)擔(dān)負(fù)著艱巨的使命——它將實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察。為此，上海航天承擔(dān)了嫦娥四號(hào)著陸器與巡視器上28臺(tái)設(shè)備的研制。為了滿足任務(wù)的需求，研發(fā)人員在原有備份星的基礎(chǔ)上，對(duì)部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了改進(jìn)。

由于嫦娥四號(hào)的首選著陸區(qū)為月球南極艾特肯盆地，那里地形崎嶇，撞擊坑大而且分布密集，這就對(duì)探測(cè)器著陸區(qū)的選擇和著陸精度提出了很高的要求。再加上著陸區(qū)在月球背面，著陸器和巡視器無(wú)法同地球直接通信，只能通過(guò)中繼星進(jìn)行上下行操作，這就使得通信時(shí)延大大增加。

針對(duì)這些難點(diǎn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為巡視器定義了感知、移動(dòng)、探測(cè)、休眠等七種工作模式，同時(shí)提高其適應(yīng)地形的能力、通過(guò)極限的能力，以及自主工作的能力。

即使有意外發(fā)生，也能夠把這個(gè)意外自主處理掉。

因?yàn)殒隙鹚奶?hào)首次落到月球背面，這使得探測(cè)器與地球的直接通信信號(hào)受到月球遮擋，必須通過(guò)“鵲橋”中繼星進(jìn)行信號(hào)中轉(zhuǎn)。因此與嫦娥三號(hào)相比，嫦娥四號(hào)巡視器測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)不僅要承擔(dān)與著陸器的數(shù)據(jù)通信的功能，還要執(zhí)行與中繼星進(jìn)行遙測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。

嫦娥四號(hào)數(shù)傳分系統(tǒng)單機(jī)主管師黃波說(shuō)，因?yàn)橹欣^星畢竟受體積或者質(zhì)量的限制，發(fā)射功率沒(méi)有辦法那么大，只能靠提高靈敏度來(lái)完成任務(wù)，因此嫦娥四號(hào)數(shù)傳分系統(tǒng)的靈敏性比嫦娥三號(hào)提高了一倍以上。

一個(gè)月夜相當(dāng)于地球上14天，同時(shí)月夜最低溫度可達(dá)到零下180度。為了讓嫦娥四號(hào)在月球上安全過(guò)夜，研制人員開(kāi)發(fā)了休眠喚醒功能。當(dāng)月夜降臨時(shí)，巡視器會(huì)為自己找好棲身之所開(kāi)始休眠。一直到太陽(yáng)照射到月球車太陽(yáng)翼的電池片上，將其喚醒，再開(kāi)啟又一次勘測(cè)。

嫦娥四號(hào)電源分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人徐澤鋒說(shuō)，在嫦娥四號(hào)上采用的太陽(yáng)電池，它的發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到了30.84% ，比原來(lái)的功率增加了3個(gè)百分點(diǎn)。在極端溫度下還是能夠可靠地恢復(fù)整個(gè)能源的供給，因此嫦娥四號(hào)既能夠輕松地休息好，又能夠有效地獲取太陽(yáng)能。

為登月裝上“激光眼”

毫無(wú)疑問(wèn)，嫦娥四號(hào)此次著陸區(qū)域的條件更為復(fù)雜、地形起伏變化更劇烈，僅艾特肯地區(qū)較為平坦，找到合適的登陸點(diǎn)難度陡然提升。能否順利實(shí)現(xiàn)“艾特肯登陸”，中科院上海技術(shù)物理研究所和中科院上海光機(jī)所合作研制的激光測(cè)距敏感器和激光三維成像敏感器發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

激光測(cè)距敏感器是著陸器上最早開(kāi)機(jī)的設(shè)備之一，在嫦娥四號(hào)飛入月球表面15公里軌道以后，全程測(cè)量著陸器與月面的距離，為著陸器姿軌控分系統(tǒng)提供從動(dòng)力下降段至軟著陸段的高精度測(cè)距數(shù)據(jù)。激光測(cè)距敏感器的工作原理是通過(guò)向月面發(fā)射激光光脈沖，測(cè)量月面回波脈沖信號(hào)與激光發(fā)射脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔，以此獲得著陸器相對(duì)于月面的精確距離。

由于嫦娥四號(hào)著陸區(qū)域較嫦娥三號(hào)地形條件更為復(fù)雜，地形起伏變化更劇烈，月面反射率差異較大，導(dǎo)致對(duì)激光三維成像敏感器的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。

嫦娥四號(hào)激光測(cè)距敏感器的主任設(shè)計(jì)師程鵬飛介紹，由遠(yuǎn)距離測(cè)距光束開(kāi)始提供距離月面的斜距信息，在著陸器距月面高度約8公里時(shí)，著陸器姿態(tài)發(fā)生角度調(diào)整，激光測(cè)距敏感器根據(jù)指令切換至近距離測(cè)距光束工作。在著陸器的姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中遠(yuǎn)距離、近距離測(cè)距波束始終具備同時(shí)測(cè)距功能，從而不斷完成動(dòng)力下降階段對(duì)嫦娥四號(hào)著陸姿態(tài)的控制，輔助她以“最佳姿態(tài)”穩(wěn)穩(wěn)落月。

解決了嫦娥四號(hào)降落高度的問(wèn)題，還要處理“落在哪兒”的難題。激光三維成像敏感器就成了她的“眼睛”——帶她避開(kāi)陡峭的隕石坑和大石塊，確定安全著陸區(qū)。

最終的落月過(guò)程從約15公里的高度開(kāi)始，全程約700秒。在距離月面100米高度時(shí)，嫦娥四號(hào)會(huì)短暫懸停，通過(guò)激光三維成像敏感器獲取月面著陸區(qū)域的三維圖像，將月球表面的坑識(shí)別出來(lái)，并通過(guò)計(jì)算分析選擇適合安全軟著陸的區(qū)域。距離月面最后幾米，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，嫦娥四號(hào)在重力作用下著陸月球表面。

嫦娥四號(hào)的激光三維成像敏感器原先作為嫦娥三號(hào)的備份產(chǎn)品，早在2013年9月就完成了生產(chǎn)研制，產(chǎn)品貯存期間，課題組定期對(duì)產(chǎn)品健康狀態(tài)進(jìn)行詳查，并保障產(chǎn)品貯存環(huán)境，保證產(chǎn)品性能指標(biāo)穩(wěn)定，安全可靠。由于嫦娥四號(hào)著陸區(qū)域較嫦娥三號(hào)地形條件更為復(fù)雜，地形起伏變化更劇烈，月面反射率差異較大，導(dǎo)致對(duì)激光三維成像敏感器的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。

“激光三維成像敏感器能在250毫秒內(nèi)成像，著陸器在1秒內(nèi)分析三維圖像數(shù)據(jù)并選取安全著陸區(qū)。在懸停的過(guò)程中，它一共有三次做出判斷的機(jī)會(huì)?！奔す馊S成像敏感器主管設(shè)計(jì)師李銘說(shuō)，“激光三維圖像高程精度優(yōu)于5厘米，相比地球上的智能駕駛激光雷達(dá)還要精準(zhǔn)?！?/p>

造訪“新地標(biāo)”，不“拍”個(gè)夠怎么行？順利抵達(dá)月球背面后，中科院上海技物所的“神器”——紅外成像光譜儀開(kāi)始大顯身手。它具備可見(jiàn)近紅外波段的光譜成像和短波紅外譜段的光譜探測(cè)功能，在月球車的輔助下可以獲取月表指定位置的精細(xì)光譜信息。

正如每個(gè)人的指紋和虹膜千差萬(wàn)別，月球物質(zhì)成分所呈現(xiàn)的光譜特性也不一樣，可以幫助科學(xué)家識(shí)別月面巡視區(qū)礦物成分?！昂玩隙鹑?hào)相比，嫦娥四號(hào)巡視器紅外成像光譜儀單次獲取月表光譜信息的時(shí)間周期由25分鐘縮短了一半，提升了儀器效率，也提高了儀器的定量化水平?！奔t外成像光譜儀主任設(shè)計(jì)師李春來(lái)介紹。

巡視器與著陸器分離抵達(dá)指定科學(xué)考察點(diǎn)后，紅外成像光譜儀會(huì)擇機(jī)工作。探測(cè)模式下，儀器開(kāi)機(jī)并獲取科學(xué)數(shù)據(jù)；而定標(biāo)模式則是利用太陽(yáng)作為定標(biāo)源，將定標(biāo)漫射板置于定標(biāo)位置時(shí)，監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)。李春來(lái)介紹，紅外成像光譜儀重不到6公斤，在工作時(shí)能適應(yīng)-20至+55攝氏度的溫度環(huán)境，是一臺(tái)高性能、輕小型、高集成的儀器。其綜合性能處于國(guó)際先進(jìn)水平。

太空通信站中繼星“鵲橋”就位以后，上海65米口徑的天馬望遠(yuǎn)鏡與北京密云站、云南昆明站、烏魯木齊南山站的射電望遠(yuǎn)鏡攜手組成甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）網(wǎng)——其測(cè)量精度或測(cè)量分辨率等效于口徑3000多公里的“超級(jí)望遠(yuǎn)鏡”。它們共同為嫦娥四號(hào)探測(cè)器和中繼星測(cè)軌定位，為其“導(dǎo)航”，確保她能順利抵達(dá)月球預(yù)定軌道，并安全軟著陸月球背面。

“我們通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)、宇宙射電源互相交叉觀測(cè)的校準(zhǔn)，并對(duì)電離層等誤差予以修正，可以精準(zhǔn)定位其空間位置?！辨隙鹚奶?hào)VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)總指揮洪曉瑜介紹。從射電望遠(yuǎn)鏡接收數(shù)據(jù)，到位于佘山科技園的指揮中心處理、計(jì)算出結(jié)果，只需不到1分鐘——比嫦娥一號(hào)、二號(hào)時(shí)的速率提升了十多倍！

給嫦娥準(zhǔn)備多套衣服

在漫漫的奔月征程、落月冒險(xiǎn)，以及之后的月球“做客”中，科研人員給嫦娥四號(hào)準(zhǔn)備了多套“衣服”，確保它能夠應(yīng)付各種不同的狀況。其中，出自上海硅酸鹽所的“衣服”就有10多件。他們針對(duì)嫦娥四號(hào)不同“身體”部位的需求，或不同“皮膚”的特性，采用不同的“剪裁”、不同的“布料”，最終確保嫦娥四號(hào)能夠像一只恒溫動(dòng)物一樣，不管外界環(huán)境如何冷熱劇烈變幻，“身體內(nèi)”始終保持在一個(gè)適合生存的溫度區(qū)間，也保證自己能夠自如地做出各種動(dòng)作。

這些“衣服”與溫度的控制息息相關(guān)。白天的嫦娥四號(hào)，太陽(yáng)光直射下的表面溫度高達(dá)100oC，熱控涂層可有效反射太陽(yáng)光，并向外輻射吸收的熱量，從而保證“身體”溫度正常。而在嫦娥四號(hào)不同的部位，熱控涂層的性能也各有差異。例如在月球車上的柔性薄膜熱控涂層則更加注重“防曬”能力，而金光燦燦的低溫多層隔熱組件就像是一層“鎧甲”包裹著暴露于太空中的儀器，使其無(wú)畏白天100℃ 、夜晚-200℃的溫度劇變。因?yàn)樗梢噪p向隔熱，外部高溫時(shí)熱量不會(huì)往里傳，外部寒冷時(shí)里面熱量也不會(huì)往外漏。目前，全世界只有兩家機(jī)構(gòu)可以提供這種柔性薄膜熱控涂層。

在嫦娥四號(hào)特殊的位置還有專用“工作衣”，“穿”在著陸器7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)外的高溫隔熱屏，像“裙子”一樣包圍著發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。在發(fā)動(dòng)機(jī)和噴管點(diǎn)火時(shí)，這件厚度僅為1厘米的 “高溫衣”正面在800～1400℃高溫氣流沖刷下，能保證其背面的溫度不超過(guò)100℃，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫邊界與探測(cè)器本體的熱隔離。

月球車的帆板打開(kāi)與收縮，對(duì)真空低溫條件下帆板的骨架金屬材料是一種嚴(yán)苛的考驗(yàn)。如果沒(méi)有耐摩擦抗冷焊涂層，金屬桿在低溫下就像是被焊接一樣粘在一起。有了這件“運(yùn)動(dòng)衣”，月球車相當(dāng)于做好了“熱身運(yùn)動(dòng)”，確保不會(huì)在運(yùn)動(dòng)中受傷。

從中國(guó)第一顆衛(wèi)星開(kāi)始，上海有機(jī)所的有機(jī)熱控涂層就一直沒(méi)有缺席中國(guó)的航天工程。由于有機(jī)熱控涂層施工工藝簡(jiǎn)單，可用于金屬或非金屬底材，具有良好的附著性能，有的品種可室溫固化，因此在航天器熱控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在嫦娥四號(hào)上，“黑白套裝”當(dāng)仁不讓地占據(jù)一席之地?！鞍咨庖隆贝┰阪隙鹚奶?hào)外表，其熱吸收率低，而反射率高，減少太陽(yáng)光照射的影響；“黑色內(nèi)衣”穿在嫦娥四號(hào)內(nèi)壁，其熱吸收率高、反射率也高，確保內(nèi)部維持在一個(gè)合適的溫度。

嫦娥四號(hào)用到的大學(xué)科研成果

1.南京航空航天大學(xué)

在嫦娥四號(hào)探測(cè)器上，有一個(gè)用于光譜儀驅(qū)動(dòng)與控制的超聲電機(jī)，這個(gè)電機(jī)就是由南京航空航天大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來(lái)的。

2.北京科技大學(xué)

嫦娥四號(hào)探測(cè)器上的卷筒式彈性伸桿是由北京科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來(lái)的。

3.浙江大學(xué)

嫦娥四號(hào)上面的降落相機(jī)光學(xué)鏡頭是由浙江大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來(lái)的。

4.上海交通大學(xué)

在嫦娥四號(hào)探測(cè)器上面，包括激光測(cè)距儀、三維成像儀、紅外光譜儀等星載光學(xué)儀器中的鏡筒、光學(xué)底板、框架等12種關(guān)鍵構(gòu)件都使用了上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研制的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

這些航天成就，都有上海貢獻(xiàn)

長(zhǎng)征6號(hào)火箭，由上海航天技術(shù)研究院研發(fā)，這是一種無(wú)毒無(wú)污染的小型液體運(yùn)載火箭，具有把500公斤的載荷送到700公里軌道的能力。

“天宮二號(hào)”搭載的空間冷原子鐘，由中科院上海光機(jī)所研制，實(shí)現(xiàn)了3000萬(wàn)年誤差不會(huì)超過(guò)1秒的超高精度。2016年8月16日，中國(guó)首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”號(hào)發(fā)射?！澳印碧?hào)搭載了四個(gè)有效載荷，其中一半由王建宇領(lǐng)導(dǎo)的中科院上海技術(shù)物理研究所牽頭研發(fā)。

2018年10月25日，長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，將海洋二號(hào)B星送入預(yù)定軌道，這是我國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的第288次飛行，也是上海航天抓總研制的長(zhǎng)征系列火箭第100次發(fā)射，同時(shí)還是上海航天2018年的第11次火箭發(fā)射任務(wù)，上海航天從“十年一箭”進(jìn)入“一年發(fā)十箭”的新時(shí)代。

上海航天的另一型主力火箭長(zhǎng)征二號(hào)丁自1992年首飛以來(lái)，就致力于國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的開(kāi)拓。2012年，長(zhǎng)征二號(hào)丁火箭對(duì)外發(fā)射取得圓滿成功，并且創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)中國(guó)運(yùn)載火箭入軌精度新紀(jì)錄，獲得了外方的高度評(píng)價(jià)，這也是上海航天抓總研制的火箭首度走出國(guó)門，為國(guó)際客戶提供發(fā)射服務(wù)。

如今，長(zhǎng)征四號(hào)系列、長(zhǎng)征二號(hào)丁多次承擔(dān)商業(yè)發(fā)射任務(wù)，已經(jīng)為土耳其、委內(nèi)瑞拉、荷蘭等十多個(gè)國(guó)家開(kāi)展衛(wèi)星發(fā)射，同時(shí)和國(guó)內(nèi)諸多高校合作，開(kāi)展商業(yè)搭載服務(wù)。針對(duì)當(dāng)前日益興起的商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用需求，上海航天提供高性能衛(wèi)星平臺(tái)及載荷的研制服務(wù)、搭載服務(wù)、在軌測(cè)控服務(wù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)等一體化解決方案。