“玉兔號(hào)”即將登月：激光光學(xué)設(shè)備護(hù)航

　　11月26日，國(guó)防科工局宣布，肩負(fù)落月重任的嫦娥三號(hào)計(jì)劃12月上旬擇機(jī)發(fā)射，備受矚目的中國(guó)首輛月球車——嫦娥三號(hào)巡視器，正式定名“玉兔號(hào)”。

　　浩瀚蒼穹，璀璨群星，又將見證屬于中國(guó)的“太空大片”。這部大片的主角——“玉兔號(hào)”月球車，將實(shí)現(xiàn)中國(guó)人與月球首次“零距離接觸”的夢(mèng)想。

　　那么，現(xiàn)實(shí)版“玉兔”究竟啥模樣？如何進(jìn)行探月之旅？又有哪些先進(jìn)的科學(xué)設(shè)備？嫦娥三號(hào)任務(wù)序幕徐徐開啟之際，我們將帶您一探究竟，揭開中國(guó)首輛月球車的神秘面紗。

　　“從外觀看，樣機(jī)與真機(jī)一模一樣。”副主任設(shè)計(jì)師魏然用4句話來(lái)形容這個(gè)140公斤重的“寶貝疙瘩”：肩插“太陽(yáng)翼”，腳踩“風(fēng)火輪”，身披“黃金甲”，腹中“秘器”多。

　　“身材”呈長(zhǎng)方形盒狀，長(zhǎng)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(yáng)能電池帆板，好似“黃金甲”上的披風(fēng)。她的腿部是六個(gè)輪狀的移動(dòng)裝置，好似哪吒腳下的“風(fēng)火輪”。

　　此外，她還有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的“耳朵”——地月對(duì)話通訊天線；4只敏銳的“眼睛”——頭頂?shù)膶?dǎo)航相機(jī)與前后方的避障相機(jī)；一只靈巧的“胳膊”——負(fù)責(zé)鉆孔、研磨和采樣的機(jī)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(qiáng)光，降低晝夜溫差，同時(shí)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(hù)月球車的腹中“秘器”——紅外成像光譜儀、激光點(diǎn)陣器等10多套科學(xué)探測(cè)儀器。

　　“‘玉兔號(hào)’是一臺(tái)長(zhǎng)著輪子、能適應(yīng)惡劣環(huán)境并開展科學(xué)探測(cè)的航天器，一個(gè)智能化、低功耗、高集成的機(jī)器人，一位承載華夏兒女探月夢(mèng)想的巡視者。”談起中國(guó)首輛月球車，航天科技集團(tuán)公司宇航部部長(zhǎng)趙小津如是說。

　　“玉兔號(hào)”月球車8個(gè)分系統(tǒng)：

　　“玉兔號(hào)”月球車由移動(dòng)、導(dǎo)航控制、電源、熱控、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、綜合電子、測(cè)控?cái)?shù)傳、有效載荷8個(gè)分系統(tǒng)組成，業(yè)內(nèi)人士形象稱之為“八仙過海，各顯神通”。

　　★移動(dòng)分系統(tǒng)：采用輪式、搖臂懸架方案，具備前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向、行進(jìn)間轉(zhuǎn)向、20度爬坡、20厘米越障能力；

　　★導(dǎo)航控制分系統(tǒng)：攜帶有相機(jī)及大量傳感器，在得知周圍環(huán)境、自身姿態(tài)、位置等信息后，可通過地面或車內(nèi)裝置，確定速度、規(guī)劃路徑、緊急避障、控制運(yùn)動(dòng)、監(jiān)測(cè)安全；

　　★電源分系統(tǒng)：由兩個(gè)太陽(yáng)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(yáng)能為車上儀器和設(shè)備提供電源；

　　★熱控分系統(tǒng)：利用導(dǎo)熱流體回路、隔熱組件、散熱面設(shè)計(jì)、電加熱器、同位素?zé)嵩矗�可使月球車工作時(shí)艙內(nèi)溫度控制在+55℃～-20℃之間；

　　★結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)：由結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)翼機(jī)械部分、桅桿、機(jī)械臂構(gòu)成，主要為各種儀器、設(shè)備、有效載荷提供工作平臺(tái)；

　　★綜合電子分系統(tǒng)：將中心計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、處理模塊等集中一體化，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控、數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航控制、移動(dòng)與機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制等功能；

　　★測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)：保證月球車與地球38.4萬(wàn)公里的通信以及與著陸器之間的通信；

　　★有效載荷分系統(tǒng)：月球車配備的科學(xué)探測(cè)儀器，包括全景相機(jī)、紅外成像光譜儀、測(cè)月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀等。

　　光學(xué)及激光設(shè)備為“玉兔號(hào)”保駕護(hù)航

　　1、落月靠"3只眼"

　　嫦娥三號(hào)任務(wù)是我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關(guān)鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術(shù)物理所、上海光學(xué)精密機(jī)械所為嫦娥衛(wèi)星研制了“激光眼”——激光高度計(jì)，為我國(guó)首幅全月面三維圖提供了高程，相當(dāng)于地球上的海拔高度。即使在無(wú)可見光的月面環(huán)境下，激光計(jì)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(duì)激光測(cè)距精度和速度提出了極高要求。在我國(guó)探月初期，嫦娥衛(wèi)星對(duì)月發(fā)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(hào)激光測(cè)距的“足印”將小到米級(jí)，測(cè)量精度進(jìn)一步提高，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嫦娥三號(hào)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(dāng)“嫦娥”向月面釋放著陸器，著陸器將在接近月面時(shí)，通過激光三維成像，進(jìn)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(diǎn)相對(duì)更為平坦。這種接近“現(xiàn)場(chǎng)直播”的實(shí)時(shí)成像需在數(shù)秒內(nèi)完成，為此中科院上海技物所研制的三維成像系統(tǒng)采用了多源激光并掃、實(shí)時(shí)成像方法，這種實(shí)測(cè)方式是在著陸月球時(shí)首次應(yīng)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(tái)儀器置于俗稱“月球車”的月面巡視器上，當(dāng)巡視器從著陸器中駛出，便開啟這一關(guān)鍵探測(cè)設(shè)備。這只“眼睛”不但能在可見光范圍獲得上百個(gè)光學(xué)波段的圖像，還能用來(lái)探索可見光之外的“光”，捕捉月球物質(zhì)資源放出的紅外線光譜。因?yàn)槊糠N物質(zhì)都有其獨(dú)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(zhì)，并能通過計(jì)算機(jī)直接將物質(zhì)分門別類。

　　對(duì)于登月任務(wù)以及其后實(shí)施的返回任務(wù)，衛(wèi)星發(fā)射重量越輕越好，因此“嫦娥”嚴(yán)格控制體重。相關(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)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(jī)載的同類光譜儀重量可達(dá)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(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)。

　　2、月球“照相機(jī)”瘦身到5公斤

　　安裝在嫦娥三號(hào)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(xì)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(jī)上，“體重”超過100公斤，顯然不適合上天。為此，王建宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，將它“瘦身”到5公斤左右，可以穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)匮b入一尺見方的盒子內(nèi)，并采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，使它“目光”敏銳。現(xiàn)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(cè)距儀和激光三維成像儀則將承擔(dān)起幫月球車尋找“落腳點(diǎn)”的重任—當(dāng)月球車離著陸點(diǎn)只有幾十公里時(shí)，它們將及時(shí)打開，以小于1米的精度，實(shí)時(shí)測(cè)量降落高度，其研制難度超過了嫦娥一號(hào)上的激光高度計(jì)。

　　2003年，時(shí)任中國(guó)探月工程首席科學(xué)家的歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士找到中科院上海技術(shù)物理所，提出研制激光高度計(jì)的要求。回想起當(dāng)時(shí)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(guó)內(nèi)從來(lái)沒做過！

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

　　這一強(qiáng)一弱之間，包含著無(wú)數(shù)難題。經(jīng)過三年多攻關(guān)，王建宇團(tuán)隊(duì)終于交出了令人滿意的答卷。與此同時(shí)，一支年輕的團(tuán)隊(duì)也逐步成長(zhǎng)起來(lái)。此次隨嫦娥三號(hào)上天的兩個(gè)激光儀器就是由當(dāng)年激光高度計(jì)團(tuán)隊(duì)帶出來(lái)的年輕博士黃庚華領(lǐng)銜研制的。

　　“玉兔號(hào)”本領(lǐng)很高強(qiáng)

　　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(wú)風(fēng)、無(wú)雨、無(wú)空氣，而且冷熱劇變，這就是真實(shí)的月面環(huán)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(huán)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(shè)計(jì)師肖杰說。

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

　　肖杰介紹，“玉兔號(hào)”有4只“眼睛”，分別是全景相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)。通過相機(jī)“觀察”周圍環(huán)境，對(duì)月面障礙進(jìn)行感知和識(shí)別，然后對(duì)巡視的路徑進(jìn)行規(guī)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(fēng)險(xiǎn)重重，月壤細(xì)粒會(huì)大量揚(yáng)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(jī)械結(jié)構(gòu)卡死、密封機(jī)構(gòu)失效、光學(xué)系統(tǒng)靈敏度下降等。

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

　　“我們?cè)囼?yàn)了幾千次，就是為了確認(rèn)哪種車輪的構(gòu)型更適應(yīng)月球環(huán)境。”肖杰說，“‘玉兔號(hào)’在月面巡視時(shí)采取自主導(dǎo)航和地面遙控的組合模式，不僅可以自主前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退，還可以原地打轉(zhuǎn)、橫向側(cè)擺，確保在危機(jī)四伏的月面上暢行無(wú)阻。”

　　此外，月球晝夜溫差非常大，白晝時(shí)溫度高達(dá)150攝氏度，黑夜時(shí)低至零下180攝氏度。為適應(yīng)極端環(huán)境，“玉兔號(hào)”月球車?yán)�用�?dǎo)熱流體回路、隔熱組件、散熱面設(shè)計(jì)、電加熱器、同位素?zé)嵩矗�可耐�?00攝氏度的溫差。

　　“零距離”接觸38萬(wàn)公里外神秘月亮

　　“著陸器通過反推發(fā)動(dòng)機(jī)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(diào)整好姿態(tài)，走出艙門，滑下斜梯，開始漫步月球……”中國(guó)科學(xué)院院士、探月工程高級(jí)顧問歐陽(yáng)自遠(yuǎn)，這樣描述“玉兔號(hào)”月球車登臨月球的場(chǎng)景。

　　“此前，‘玉兔號(hào)’月球車由著陸器背負(fù)，通過光學(xué)、微波等敏感器測(cè)量，在月球上空懸停、平移、避障，選擇最佳著陸點(diǎn)安全降落月球表面。”歐陽(yáng)自遠(yuǎn)說，“在這個(gè)過程中，著陸器將采取路徑優(yōu)、燃料省、誤差小的模式實(shí)現(xiàn)安全著陸。”

　　歐陽(yáng)自遠(yuǎn)說，“玉兔號(hào)”月球車堪稱一款非常聰明的機(jī)器人，依靠自主導(dǎo)航，選路線、上下坡、避障礙，走走停停，邊走邊“看”，并把探測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳回地球，幫助人類更加直接、更加準(zhǔn)確地了解38萬(wàn)公里外神秘美麗的月亮。

　　據(jù)介紹，“玉兔號(hào)”月球車底部安裝了一臺(tái)測(cè)月雷達(dá)，可發(fā)射雷達(dá)波探測(cè)二三十米厚的月球土壤結(jié)構(gòu)，還可以對(duì)月球下面100米深的地方進(jìn)行探測(cè)。“這是世界上其他國(guó)家從來(lái)沒有做過的事情。”歐陽(yáng)自遠(yuǎn)說。

　　“靜若處子，動(dòng)若脫兔。”有限的時(shí)間，迫使“玉兔號(hào)”月球車高效工作——依靠各種先進(jìn)設(shè)備，對(duì)月表進(jìn)行三維光學(xué)成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)科學(xué)探測(cè)，對(duì)月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，等等。

歐洲空間局助中國(guó)登月：采集任務(wù)信號(hào)

北京時(shí)間12月2日消息，據(jù)歐空局官網(wǎng)報(bào)道，在嫦娥3號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射升空之后，歐洲空間局(ESA)的追蹤站網(wǎng)絡(luò)馬上開始了運(yùn)作，為其為期5天的月球之旅提供關(guān)鍵支持。12月2日凌晨01:30，搭載嫦娥3號(hào)的長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭在中國(guó)四川的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空。

歐空局的庫(kù)魯測(cè)控站

歐空局的庫(kù)魯測(cè)控站

追蹤網(wǎng)絡(luò)控制室

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

“來(lái)自我們地面站和飛行動(dòng)態(tài)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)意見，以及世界各地的跟蹤站網(wǎng)絡(luò)(Estrack)所提供的尖端技術(shù)，在中國(guó)這次登陸器及月球車前往月球的過程中提供了幫助，對(duì)此我感到非常驕傲，”歐洲空間局載人航天與運(yùn)營(yíng)的主管托馬斯·萊特(Thomas Reiter)說，“在未來(lái)探索行星、月球和小行星的過程中，無(wú)論是人類還是機(jī)器人任務(wù)，像類似的國(guó)際合作都是十分必要的，對(duì)每一個(gè)參與者都有好處。”

目前，位于德國(guó)達(dá)姆斯塔特的歐空局Estrack控制中心已經(jīng)開始運(yùn)作。在嫦娥3號(hào)發(fā)射后44分鐘左右，庫(kù)魯站直徑15米的碟狀天線將開始接收第一組信號(hào)。庫(kù)魯站還與中國(guó)的測(cè)控站合作，為12月6日嫦娥3號(hào)進(jìn)入月球軌道，以及12月14日的下降和著陸過程提供測(cè)控支持。著陸器降落以及月球車的操作命令將通過中國(guó)的兩個(gè)測(cè)控站進(jìn)行傳達(dá)，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(dá)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(cè)量服務(wù)，”歐空局Estrack控制中心的相關(guān)負(fù)責(zé)人埃里克·瑟倫森(Erik Soerensen)說，“通過‘delta-DOR’技術(shù)，我們可以計(jì)算出高精度的著陸地點(diǎn)，這將為中國(guó)同行們對(duì)登陸器進(jìn)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(hào)的無(wú)線電信號(hào)，這將幫助中國(guó)國(guó)家航天局重建著陸軌跡，為未來(lái)探測(cè)提供參考。此外，一組中國(guó)工程師團(tuán)隊(duì)也將前往德國(guó)達(dá)姆斯塔特，“盡管Estrack控制中心非常國(guó)際化，但沒有人會(huì)說中文，因此中國(guó)同行們的到來(lái)，將有效地幫助我們應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的未知問題，”埃里克·瑟倫森說，“雙方正在利用國(guó)際化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證我們的測(cè)控站和控制中心與中國(guó)的任務(wù)和地面系統(tǒng)進(jìn)行交流。”(任天)