“玉兔號”即將登月：激光光學設備護航

　　11月26日，國防科工局宣布，肩負落月重任的嫦娥三號計劃12月上旬擇機發射，備受矚目的中國首輛月球車——嫦娥三號巡視器，正式定名“玉兔號”。

　　浩瀚蒼穹，璀璨群星，又將見證屬于中國的“太空大片”。這部大片的主角——“玉兔號”月球車，將實現中國人與月球首次“零距離接觸”的夢想。

　　那么，現實版“玉兔”究竟啥模樣？如何進行探月之旅？又有哪些先進的科學設備？嫦娥三號任務序幕徐徐開啟之際，我們將帶您一探究竟，揭開中國首輛月球車的神秘面紗。

　　“從外觀看，樣機與真機一模一樣。”副主任設計師魏然用4句話來形容這個140公斤重的“寶貝疙瘩”：肩插“太陽翼”，腳踩“風火輪”，身披“黃金甲”，腹中“秘器”多。

　　“身材”呈長方形盒狀，長1.5米，寬1米，高1.1米，周身金光閃閃，耀眼奪目。她的肩部有兩片可以打開的太陽能電池帆板，好似“黃金甲”上的披風。她的腿部是六個輪狀的移動裝置，好似哪吒腳下的“風火輪”。

　　此外，她還有一個長長的“耳朵”——地月對話通訊天線；4只敏銳的“眼睛”——頭頂的導航相機與前后方的避障相機；一只靈巧的“胳膊”——負責鉆孔、研磨和采樣的機械臂……

　　魏然介紹，身披“黃金甲”，目的不是為好看，而是為了反射月球白晝的強光，降低晝夜溫差，同時阻擋宇宙中各種高能粒子的輻射。所有這一切，都是為了支持和保護月球車的腹中“秘器”——紅外成像光譜儀、激光點陣器等10多套科學探測儀器。

　　“‘玉兔號’是一臺長著輪子、能適應惡劣環境并開展科學探測的航天器，一個智能化、低功耗、高集成的機器人，一位承載華夏兒女探月夢想的巡視者。”談起中國首輛月球車，航天科技集團公司宇航部部長趙小津如是說。

　　“玉兔號”月球車8個分系統：

　　“玉兔號”月球車由移動、導航控制、電源、熱控、結構與機構、綜合電子、測控數傳、有效載荷8個分系統組成，業內人士形象稱之為“八仙過海，各顯神通”。

　　★移動分系統：采用輪式、搖臂懸架方案，具備前進、后退、原地轉向、行進間轉向、20度爬坡、20厘米越障能力；

　　★導航控制分系統：攜帶有相機及大量傳感器，在得知周圍環境、自身姿態、位置等信息后，可通過地面或車內裝置，確定速度、規劃路徑、緊急避障、控制運動、監測安全；

　　★電源分系統：由兩個太陽電池陣、一組鋰離子電池組、休眠喚醒模塊、電源控制器組成，利用太陽能為車上儀器和設備提供電源；

　　★熱控分系統：利用導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、同位素熱源，可使月球車工作時艙內溫度控制在+55℃～-20℃之間；

　　★結構與機構分系統：由結構和太陽翼機械部分、桅桿、機械臂構成，主要為各種儀器、設備、有效載荷提供工作平臺；

　　★綜合電子分系統：將中心計算機、驅動模塊、處理模塊等集中一體化，采用實時操作系統，實現遙測遙控、數據管理、導航控制、移動與機構的驅動控制等功能；

　　★測控數傳分系統：保證月球車與地球38.4萬公里的通信以及與著陸器之間的通信；

　　★有效載荷分系統：月球車配備的科學探測儀器，包括全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達、粒子激發X射線譜儀等。

　　光學及激光設備為“玉兔號”保駕護航

　　1、落月靠"3只眼"

　　嫦娥三號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術物理所、上海光學精密機械所為嫦娥衛星研制了“激光眼”——激光高度計，為我國首幅全月面三維圖提供了高程，相當于地球上的海拔高度。即使在無可見光的月面環境下，激光計也能“拍攝”自如。

　　但比起距離月面一兩百公里外的繞月，零距離接觸的落月對激光測距精度和速度提出了極高要求。在我國探月初期，嫦娥衛星對月發射一束激光，在月面形成的“激光足印”約有120米方圓范圍，而嫦娥三號激光測距的“足印”將小到米級，測量精度進一步提高，可實時監測嫦娥三號著陸器距離月面的高度。

　　除了這束“大激光”，“嫦娥”還有一道靈敏度極高的“小激光”。當“嫦娥”向月面釋放著陸器，著陸器將在接近月面時，通過激光三維成像，進一步“觀察地形”，獲取正下方圖像。如下方不適合降落，它就馬上換一塊地方，確保著陸點相對更為平坦。這種接近“現場直播”的實時成像需在數秒內完成，為此中科院上海技物所研制的三維成像系統采用了多源激光并掃、實時成像方法，這種實測方式是在著陸月球時首次應用。

　　兩只“激光眼”之外，“嫦娥”另有一只“紅外眼”——紅外成像光譜儀。這臺儀器置于俗稱“月球車”的月面巡視器上，當巡視器從著陸器中駛出，便開啟這一關鍵探測設備。這只“眼睛”不但能在可見光范圍獲得上百個光學波段的圖像，還能用來探索可見光之外的“光”，捕捉月球物質資源放出的紅外線光譜。因為每種物質都有其獨特的“紅外圖譜”，紅外成像光譜儀以極高的光譜分辨率“拍攝”月表物質，并能通過計算機直接將物質分門別類。

　　對于登月任務以及其后實施的返回任務，衛星發射重量越輕越好，因此“嫦娥”嚴格控制體重。相關項目負責人上海技物所研究員王建宇透露，此次星載的紅外成像光譜儀只有5公斤多，是“嫦娥”3只眼中最輕的，而機載的同類光譜儀重量可達百公斤。今后，這種超輕型成像光譜儀器還能用于火星、小行星等更遙遠的深空探測任務。

　　2、月球“照相機”瘦身到5公斤

　　安裝在嫦娥三號月球車“腹部”的紅外成像光譜儀，就像一只敏銳的眼睛，將仔細察看月面的礦物組成—這可是王建宇的最新成果。它原先搭載在飛機上，“體重”超過100公斤，顯然不適合上天。為此，王建宇帶領團隊絞盡腦汁，將它“瘦身”到5公斤左右，可以穩穩當當地裝入一尺見方的盒子內，并采用了一系列創新技術，使它“目光”敏銳。現在，王建宇就期盼著月球車上的紅外成像光譜儀能帶回合格的圖像。

　　激光測距儀和激光三維成像儀則將承擔起幫月球車尋找“落腳點”的重任—當月球車離著陸點只有幾十公里時，它們將及時打開，以小于1米的精度，實時測量降落高度，其研制難度超過了嫦娥一號上的激光高度計。

　　2003年，時任中國探月工程首席科學家的歐陽自遠院士找到中科院上海技術物理所，提出研制激光高度計的要求。回想起當時情形，王建宇說他感到了從未有過的壓力：大功率激光上天，國內從來沒做過！

　　這除了要克服真空、失重、高壓等困難，激光高度計還要能在200公里外，抓住月面反射回來的微弱激光信號，這就好比要不偏不倚地捕捉一大幅畫面中的一個光點。同時，上天的設備就怕能量大，可高度計的激光器瞬時功率高達30兆瓦。在地面上，這個功率能把幾米開外的鐵板打得直冒火花。

　　這一強一弱之間，包含著無數難題。經過三年多攻關，王建宇團隊終于交出了令人滿意的答卷。與此同時，一支年輕的團隊也逐步成長起來。此次隨嫦娥三號上天的兩個激光儀器就是由當年激光高度計團隊帶出來的年輕博士黃庚華領銜研制的。

　　“玉兔號”本領很高強

　　具備20度爬坡、20厘米越障能力，可耐受300攝氏度溫差

　　仰望夜空，明媚的月亮婀娜溫情。然而，月亮之上，卻沒有想象中的浪漫。無風、無雨、無空氣，而且冷熱劇變，這就是真實的月面環境。

　　“月球重力是地球的六分之一，表面土壤非常松軟，凹凸不平，有石塊、有隕石坑，還有陡峭的高坡。在這種環境中，月球車既不能打滑，更不能翻車。”全程參與研制的主任設計師肖杰說。

　　想要克服這些困難，“玉兔號”必須具備“眼觀六路、耳聽八方”“獨立思考、自主判斷”的本領。

　　肖杰介紹，“玉兔號”有4只“眼睛”，分別是全景相機和導航相機。通過相機“觀察”周圍環境，對月面障礙進行感知和識別，然后對巡視的路徑進行規劃。遇到超過20度的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑，能夠自主判斷安全避讓。

　　月球車在月面“行走”風險重重，月壤細粒會大量揚起，形成月塵，一旦附著很難清除。月塵可能引起月球車很多故障，包括機械結構卡死、密封機構失效、光學系統靈敏度下降等。

　　在月表形貌綜合模擬試驗控制室，記者看到一片高低起伏的綿軟“沙子”。為模擬月球環境，科研人員特地從長白山運回與月球表面物質成分相近的火山灰，并通過鋼絲吊掛月球車，模擬微重力環境。

　　“我們試驗了幾千次，就是為了確認哪種車輪的構型更適應月球環境。”肖杰說，“‘玉兔號’在月面巡視時采取自主導航和地面遙控的組合模式，不僅可以自主前進、轉彎、后退，還可以原地打轉、橫向側擺，確保在危機四伏的月面上暢行無阻。”

　　此外，月球晝夜溫差非常大，白晝時溫度高達150攝氏度，黑夜時低至零下180攝氏度。為適應極端環境，“玉兔號”月球車利用導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、同位素熱源，可耐受300攝氏度的溫差。

　　“零距離”接觸38萬公里外神秘月亮

　　“著陸器通過反推發動機緩沖，在月面上徐徐降落，艙門打開，彈出斜梯。月球車緩緩舒展蜷縮的身體，調整好姿態，走出艙門，滑下斜梯，開始漫步月球……”中國科學院院士、探月工程高級顧問歐陽自遠，這樣描述“玉兔號”月球車登臨月球的場景。

　　“此前，‘玉兔號’月球車由著陸器背負，通過光學、微波等敏感器測量，在月球上空懸停、平移、避障，選擇最佳著陸點安全降落月球表面。”歐陽自遠說，“在這個過程中，著陸器將采取路徑優、燃料省、誤差小的模式實現安全著陸。”

　　歐陽自遠說，“玉兔號”月球車堪稱一款非常聰明的機器人，依靠自主導航，選路線、上下坡、避障礙，走走停停，邊走邊“看”，并把探測到的數據自動傳回地球，幫助人類更加直接、更加準確地了解38萬公里外神秘美麗的月亮。

　　據介紹，“玉兔號”月球車底部安裝了一臺測月雷達，可發射雷達波探測二三十米厚的月球土壤結構，還可以對月球下面100米深的地方進行探測。“這是世界上其他國家從來沒有做過的事情。”歐陽自遠說。

　　“靜若處子，動若脫兔。”有限的時間，迫使“玉兔號”月球車高效工作——依靠各種先進設備，對月表進行三維光學成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結構科學探測，對月表物質主要元素進行現場分析，等等。

歐洲空間局助中國登月：采集任務信號

北京時間12月2日消息，據歐空局官網報道，在嫦娥3號月球探測器發射升空之后，歐洲空間局(ESA)的追蹤站網絡馬上開始了運作，為其為期5天的月球之旅提供關鍵支持。12月2日凌晨01:30，搭載嫦娥3號的長征三號乙運載火箭在中國四川的西昌衛星發射中心順利升空。

歐空局的庫魯測控站

歐空局的庫魯測控站

追蹤網絡控制室

嫦娥3號包括著陸器和一輛六輪的“玉兔號”月球車，將于12月14日在月球的虹灣著陸。這是自1976年蘇聯的月球24號探測器之后，第一個登陸月球的探測器。在發射之后，歐空局位于法屬圭亞那的庫魯測控站立即開始了任務信號采集，并代表北京控制中心進行命令的上傳。在為期5天的登月之旅中，每天都要進行這樣的跟蹤。之后，在嫦娥3號降落和著陸之后，歐空局的深空站將對其路徑和觸地進行精確定位。

“來自我們地面站和飛行動態團隊的專業意見，以及世界各地的跟蹤站網絡(Estrack)所提供的尖端技術，在中國這次登陸器及月球車前往月球的過程中提供了幫助，對此我感到非常驕傲，”歐洲空間局載人航天與運營的主管托馬斯·萊特(Thomas Reiter)說，“在未來探索行星、月球和小行星的過程中，無論是人類還是機器人任務，像類似的國際合作都是十分必要的，對每一個參與者都有好處。”

目前，位于德國達姆斯塔特的歐空局Estrack控制中心已經開始運作。在嫦娥3號發射后44分鐘左右，庫魯站直徑15米的碟狀天線將開始接收第一組信號。庫魯站還與中國的測控站合作，為12月6日嫦娥3號進入月球軌道，以及12月14日的下降和著陸過程提供測控支持。著陸器降落以及月球車的操作命令將通過中國的兩個測控站進行傳達，分別是位于新疆的喀什站，和位于東北的佳木斯站。

“在登陸器和月球車到達月球表面之后，我們將使用位于西班牙塞夫雷羅斯和澳大利亞新諾爾恰的35米直徑深空天線，為其提供‘delta-DOR’定位測量服務，”歐空局Estrack控制中心的相關負責人埃里克·瑟倫森(Erik Soerensen)說，“通過‘delta-DOR’技術，我們可以計算出高精度的著陸地點，這將為中國同行們對登陸器進行精確定位提供幫助。”

在著陸過程中，塞夫雷羅斯和新諾爾恰的深空天線也將記錄嫦娥3號的無線電信號，這將幫助中國國家航天局重建著陸軌跡，為未來探測提供參考。此外，一組中國工程師團隊也將前往德國達姆斯塔特，“盡管Estrack控制中心非常國際化，但沒有人會說中文，因此中國同行們的到來，將有效地幫助我們應對可能發生的未知問題，”埃里克·瑟倫森說，“雙方正在利用國際化的技術標準，保證我們的測控站和控制中心與中國的任務和地面系統進行交流。”(任天)