12月14日，嫦娥三號平穩落月，這是北京飛行控制中心工作人員在監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——中國航天科技集團公司了解到，為讓它能在月球健康生活、圓滿完成任務，科技人員考慮得細致入微，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，四周揚起的月塵使他驚呆了。 由于月球上沒有風，且重力只有地球的六分之一，月塵揚起來后會長時間懸浮在半空中。這讓科技人員不禁擔憂：“玉兔”在月面行動，會帶起多大的揚塵？對它的“健康”會造成多大影響？ 為此，航天科技集團總環部模擬月塵項目組通過技術攻關，對真空環境下月球車三種花紋車輪的臨界起塵點、轉速與起塵高度的試驗規律、揚塵顆粒的速度矢量、揚塵顆粒的尺寸范圍、揚塵顆粒的運動軌跡和范圍等開展了研究。通過計算修正，首次在國內得出月面條件下三維車輪揚塵參數，為后續探月工程月球車揚塵問題提供了重要參考。 研究發現，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。 該集團公司八院承擔了這項工作，首先面臨的難題是材料。月面環境十分惡劣，且不說高真空、強輻射等特點，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，登月產品對輕量化有嚴格要求，這也排除了過于復雜的機械密封手段。 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過硬度、磨耗系數等多項測試。經過不斷探索，終于將選材問題圓滿解決。 密封圈的設計也是難點。稍微松一點，塵土會侵入；稍微緊一點，不僅增加活動關節的摩擦阻力，還會加大自身磨損。月球車共有6種不同尺寸的活動關節需要防塵密封，科技人員針對各關節的不同尺寸、不同轉速、不同力矩、不同安裝部位等，細化了對密封圈的技術要求，并分別對其各項性能進行試驗，不斷優化改進。經過兩年時間、60多次試驗，他們做出了主副唇雙密封層的創新設計，完成了雙密封圈串聯安裝以及密封唇過盈量優化，可確保防塵密封效果。 乘導軌離開“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。 科技人員為它設計了兩根轉移機構懸梯導軌，只要它能精確地將左右車輪分別行駛到兩根導軌上，保持穩定，就能安全到達月面。 但其實，想要保持穩定并不簡單。一是嫦娥三號的最終著陸點未必平坦，如果出現傾斜，兩根導軌之間也會存在傾斜角度；即使落點地勢較平，在釋放懸梯導軌的過程中，月球車車輪也可能滑動，萬一滑落，后果不堪設想。 為防止出現這樣的悲劇，航天科技集團八院科技人員對月球車靜態穩定性開展了攻關。他們從車輪的棘爪入手，使其能與導軌懸梯上的棘齒咬合，再引入“DSP+FPGA”架構設計和模塊化電機驅動設計，提高控制精度，確保車輪零轉速保持，就能讓月球車穩穩地停在導軌上。 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�？萍既藛T提出了這種帶有棘爪的篩網輪設計構想，經過掛鉤牽引力、適應性、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向的構型方案。如果單側某一車輪越過20厘米高的障礙時，月球車能在差動機構和搖臂作用下被動適應月面地形，讓所有車輪均與月面接觸。即使行進間某個輪子被卡住，其他獨立驅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系統擔當了此項重任。 該系統由航天科技集團五院耗費十年研發而成，讓“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。
知道自己的位置，這是月球車實現能源供應和對地通訊的根本。但月面環境具有低重力、弱磁場、真空和輻射等特點，在地球應用成熟的指南針、導航儀等手段都不可用，加之月球車有嚴苛的重量和功耗約束，其定位方式的選擇更是難上加難�？萍既藛T經過長期調研論證，走訪了多家國內機器人和野外車輛研究院所，完成了上千次數學仿真，最終找到了適合月球車的導航定姿定位方案，并確定了導航敏感器指標。 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。五院研發了我國首套月球雙目視覺在軌三維恢復系統。該系統擁有兩個鏡頭，能把“看”到的二維地形信息經過處理運算后，變成三維坐標信息。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找遍了國內外所有能查到的路徑規劃方法，逐一進行適用性研究和仿真驗證，最終提出了自己的路徑規劃方法。但找到了路，還要具備準確沿路徑行駛的能力�！坝裢谩辈捎玫氖橇啌u臂式移動裝置，六個輪子都能獨立驅動，其中四個角輪可以轉向，但除了自身運動能力外，考慮月面松軟月壤下的輪土接觸力學關系，減少滑移等現象。針對這些因素，科技人員設計了十多種運動控制律，經過千余次仿真驗算，最終確定了協調的控制方法，實現了對規劃路徑的準確跟蹤控制。 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，月球車進入睡眠狀態后，其“腹腔”內的設備如果完全暴露在極寒環境下，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。 相比目前國內大多數航天器太陽翼的一次性展開方案，“玉兔”這樣能重復展開的太陽翼，給科技人員帶來了更大挑戰。 通過創新設計、反復論證和不斷改進，科技人員最終確定了兩翼展開式設計方案，-Y太陽翼為一次展開并鎖定在-190°位置；+Y太陽翼可重復展開，除實現對日定向功能外，還能在月夜休眠階段收攏至零位狀態保溫、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用過。 為了保證太陽翼適應月面惡劣環境的考驗，科技人員一方面增加地面試驗的次數，另一方面還提高了地面試驗的難度。比如溫度適應方面，地面試驗中做到了零下200攝氏度到165攝氏度，以確保產品的可靠性。 在地球造月宮開展演習 盡管給“玉兔”帶上了大量“戶外裝備”，科技人員仍擔心它難以適應月球環境。怎么辦？干脆造一座“月宮”讓它演練一下。航天科技集團實施的地面驗證試驗，成為這次試驗任務的一大亮點。 要最大程度地營造月面環境，除了低重力環境、超過300攝氏度溫差的高低溫環境、超高真空環境等因素外，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�？萍既藛T翻閱了大量資料，選取了多種火山灰進行比對，在分析礦物組成、化學成分、相似的顆粒粒度、機械強度、密度和力學性能等物理特性，并綜合價格、運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域，最終建成了月表綜合形貌實驗室。 在這間塵土飛揚、沒有空調的實驗室里，科技人員陪同“玉兔”開展了艱苦的訓練。僅移動分系統極限能力試驗行駛里程就累計超過20公里，爬坡次數、越障次數各達到700多次，一個個數據讓月球車的安全系數不斷提高。有這些充分、扎實的前期工作為基礎，相信“玉兔”一定能在月球上做出精彩表現。 （科技日報北京12月14日電） |
