12月14日，嫦娥三號(hào)平穩(wěn)落月，這是北京飛行控制中心工作人員在監(jiān)控嫦娥三號(hào)落月過(guò)程。 周日特別策劃 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(kāi)“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，并給它配備了各種高科技裝備。 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(méi)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(kāi)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，將造成部件的異常磨損，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)兩年時(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(kāi)“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(kāi)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(kāi)展月面探測(cè)，“玉兔”必須隨時(shí)掌握三個(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，這是月球車實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和對(duì)地通訊的根本。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。科技人員經(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(jué)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。但找到了路，還要具備準(zhǔn)確沿路徑行駛的能力。“玉兔”采用的是六輪搖臂式移動(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(jué)”，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(kāi)方案，“玉兔”這樣能重復(fù)展開(kāi)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(kāi)式設(shè)計(jì)方案，-Y太陽(yáng)翼為一次展開(kāi)并鎖定在-190°位置；+Y太陽(yáng)翼可重復(fù)展開(kāi)，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(kāi)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)，另一方面還提高了地面試驗(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(kāi)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�？萍既藛T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(méi)有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室里，科技人員陪同“玉兔”開(kāi)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)。 （科技日?qǐng)?bào)北京12月14日電） |
