12月14日，嫦娥三號平穩(wěn)落月，這是北京飛行控制中心工作人員在監(jiān)控嫦娥三號落月過程。 周日特別策劃 12月14日晚，嫦娥三號探測器帶著“玉兔號”月球車翩然落月，讓流傳千年的美麗神話成為現(xiàn)實。 接下來，“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”的研制單位——中國航天科技集團(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 阿波羅號宇航員登月后回憶說，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)起來后會長時間懸浮在半空中。這讓科技人員不禁擔(dān)憂：“玉兔”在月面行動，會帶起多大的揚(yáng)塵？對它的“健康”會造成多大影響？ 為此，航天科技集團(tuán)總環(huán)部模擬月塵項目組通過技術(shù)攻關(guān)，對真空環(huán)境下月球車三種花紋車輪的臨界起塵點、轉(zhuǎn)速與起塵高度的試驗規(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)動軌跡和范圍等開展了研究。通過計算修正，首次在國內(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)了這項工作，首先面臨的難題是材料。月面環(huán)境十分惡劣，且不說高真空、強(qiáng)輻射等特點，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，登月產(chǎn)品對輕量化有嚴(yán)格要求，這也排除了過于復(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，但為其配方大費周章。每次新配比的材料都要經(jīng)過硬度、磨耗系數(shù)等多項測試。經(jīng)過不斷探索，終于將選材問題圓滿解決。 密封圈的設(shè)計也是難點。稍微松一點，塵土?xí)秩耄簧晕⒕o一點，不僅增加活動關(guān)節(jié)的摩擦阻力，還會加大自身磨損。月球車共有6種不同尺寸的活動關(guān)節(jié)需要防塵密封，科技人員針對各關(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)化了對密封圈的技術(shù)要求，并分別對其各項性能進(jìn)行試驗，不斷優(yōu)化改進(jìn)。經(jīng)過兩年時間、60多次試驗，他們做出了主副唇雙密封層的創(chuàng)新設(shè)計，完成了雙密封圈串聯(lián)安裝以及密封唇過盈量優(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。但它位于嫦娥三號頂部，怎么下是個問題。 科技人員為它設(shè)計了兩根轉(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，想要保持穩(wěn)定并不簡單。一是嫦娥三號的最終著陸點未必平坦，如果出現(xiàn)傾斜，兩根導(dǎo)軌之間也會存在傾斜角度；即使落點地勢較平，在釋放懸梯導(dǎo)軌的過程中，月球車車輪也可能滑動，萬一滑落，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)計和模塊化電機(jī)驅(qū)動設(shè)計，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，又勢必增加重量。科技人員提出了這種帶有棘爪的篩網(wǎng)輪設(shè)計構(gòu)想，經(jīng)過掛鉤牽引力、適應(yīng)性、承載力等測試，效果出人意料。 在保證月球車行駛和越障能力方面，科技人員采用了獨立轉(zhuǎn)向的構(gòu)型方案。如果單側(cè)某一車輪越過20厘米高的障礙時，月球車能在差動機(jī)構(gòu)和搖臂作用下被動適應(yīng)月面地形，讓所有車輪均與月面接觸。即使行進(jìn)間某個輪子被卡住，其他獨立驅(qū)動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，“玉兔”必須隨時掌握三個問題：“我在哪？”“我要去哪？”和“我怎么去？”這需要一個精密的“大腦”。我國首套巡視探測GNC系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)了此項重任。 該系統(tǒng)由航天科技集團(tuán)五院耗費十年研發(fā)而成，讓“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。
知道自己的位置，這是月球車實現(xiàn)能源供應(yīng)和對地通訊的根本。但月面環(huán)境具有低重力、弱磁場、真空和輻射等特點，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)過長期調(diào)研論證，走訪了多家國內(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)擁有兩個鏡頭，能把“看”到的二維地形信息經(jīng)過處理運(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。科技人員找遍了國內(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裝置，六個輪子都能獨立驅(qū)動，其中四個角輪可以轉(zhuǎn)向，但除了自身運(yùn)動能力外，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。針對這些因素，科技人員設(shè)計了十多種運(yùn)動控制律，經(jīng)過千余次仿真驗算，最終確定了協(xié)調(diào)的控制方法，實現(xiàn)了對規(guī)劃路徑的準(zhǔn)確跟蹤控制。 太陽翼白天遮陽晚上保暖 白天工作完了，“玉兔”在晚上也要“睡覺”，此時，它獨特的太陽電池翼可以發(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”會把太陽電池翼收攏，裹在“肚子”上保暖。 相比目前國內(nèi)大多數(shù)航天器太陽翼的一次性展開方案，“玉兔”這樣能重復(fù)展開的太陽翼，給科技人員帶來了更大挑戰(zhàn)。 通過創(chuàng)新設(shè)計、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)計方案，-Y太陽翼為一次展開并鎖定在-190°位置；+Y太陽翼可重復(fù)展開，除實現(xiàn)對日定向功能外，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，這在其他航天器上從未應(yīng)用過。 為了保證太陽翼適應(yīng)月面惡劣環(huán)境的考驗，科技人員一方面增加地面試驗的次數(shù)，另一方面還提高了地面試驗的難度。比如溫度適應(yīng)方面，地面試驗中做到了零下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)實施的地面驗證試驗，成為這次試驗任務(wù)的一大亮點。 要最大程度地營造月面環(huán)境，除了低重力環(huán)境、超過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，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，并綜合價格、運(yùn)輸條件等外部因素后，選取了東北長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需求鋪裝在不同區(qū)域，最終建成了月表綜合形貌實驗室。 在這間塵土飛揚(yáng)、沒有空調(diào)的實驗室里，科技人員陪同“玉兔”開展了艱苦的訓(xùn)練。僅移動分系統(tǒng)極限能力試驗行駛里程就累計超過20公里，爬坡次數(shù)、越障次數(shù)各達(dá)到700多次，一個個數(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)。 （科技日報北京12月14日電） |
