对比美苏探月技术嫦娥玉兔探月不走寻常路

中国航天 · 2016-10-31 15:25:21

直到38万公里外的嫦娥三号着陆器和玉兔车都“睡”了，地球上的一些中国人仍有一个疑问：我们是不是在重复别人走过的路？2013年12月15日4时，航天史被玉兔号月球车改写——她用160秒走出了相当于一个半车体长的路程，人类自1972年阿波罗17号登月后，再无月球车在月面留下足印的记录就此终结。从2004年探月工程立项至今，探月工程二期探测器系统副总设计师贾阳亲历了10年历程，从最开始对月面的认识“只能来源于美苏”，到 “选择美苏没去过的区域着陆、巡视，增加人类对月球的认识”。嫦娥和玉兔都不是对苏联、美国探月任务的简单重复。一个直观的细节是，玉兔车上采用的双目立体视觉技术、自主导航避障技术等，41年前还根本不存在。嫦娥三号巡视器产品保证工程师王芳说，“无论是系统设计水平，还是平台速度能力，玉兔与2003年发射的美国火星探测器好奇号和机遇号更有可比性，大量新技术的采用，降低了任务执行的风险，提高了可靠性。”相比玉兔号的遥操作，第一辆月球车的“电视摄像操作”“弱爆了”当玉兔车终于安睡，嫦娥三号巡视器主管设计师彭松松了一口气，他庆幸玉兔车在寻找休眠点的路上躲过了重重风险。彭松负责机构规划，如果遥操作不慎，就会影响到全向天线接收地面指令，一旦断了与地球的通信链路，断了这根隔着38万公里牵着玉兔号飞的“风筝线”，后果不堪设想。43年前，当人类第一辆月球车苏联“月球车1号”从“月球17号”探测器转移到月面时，也有一条窄束天线背在它的身上。相比之下，这条天线对全无自主导航能力的“月球车1号”来说,显得更为致命。探月工程总设计师吴伟仁告诉中国青年报记者，苏联当时对月球车采取的“电视摄像操作”方式今天看来是十分原始的：苏联专门组织了一个飞行员梯队，5个人一组，轮班倒，每个人每天“开”8小时，而这些飞行员判断行驶的依据，就是月球车通过天线传下来的现场摄像。对于这种手动驾驶方式，嫦娥三号巡视器遥操作副主任设计师吴克告诉记者，驾驶员对环境的认知难以精确判断，如果前路有坑，什么时候避开坑，只能靠驾驶员估算，精度自然低。相比之下，玉兔号的“遥操作”比苏联的方法更为精密周全，吴克告诉记者，其任务规划分三个层次进行。首先是战略层次的任务规划：依据全景相机拍摄30米内图像，任务支持中心跟地面应用系统的科学家协商，科学家提出他们想去图中哪些点，巡视器团队从工程角度上判断哪些点不能去，然后把科学家感兴趣的探测目标串起来，形成轨迹。其次是战役层次的周期规划：对这些点进行相对定位，将30米的轨迹分割成约7米一段。最后是战术层次的导航规划：利用导航相机将要走的约7米路段进行拍摄，规划出行驶路线。剩下的，就交给数字仿真系统去验证。当然，无论是月球车一号还是玉兔号，都有一段无法回避的断线期。一旦月球车进入休眠，其与地面的联系也随之中断。苏醒与否，部分取决于月尘这颗定时炸弹。嫦娥三号巡视器综合测试指挥权爽告诉记者，带静电的月尘，一旦被玉兔车吸附，很难清除，由此可能引发很多故障，如机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等。苏联的月球车2号就吃过这方面的亏。1973年1月，开到一个撞击坑后，疏松的月壤使月球车2号轮子空转，腾起的浮土覆盖了其太阳能电池板和散热器，导致月球车2号供电骤减、车内过热，牺牲在月面。极端温度是月球车不得不面对的挑战。吴伟仁说,玉兔车向着太阳这边的3个轮子，照射的温度最高达100多摄氏度，另3个被遮住的轮子，已是零下10多摄氏度，一米多一点的间距，温差却极大，而这早已在玉兔车设计时考虑到了，纵使“冰火二重天”，玉兔也能安然无恙。“嫦娥”、 “玉兔”集成了代表当今世界科技水平的新技术嫦娥三号任务宣布成功次日，吴伟仁告诉中国青年报记者:“嫦娥三号，我们是按照最好的结果去努力，也做了最坏的准备，整个过程光故障预案就做了200多个，但到现在一个都没有用上。”这和整个科技发展不无关系。值得一提的是，中国空间技术研究院任务支持中心在嫦娥三号任务中首次采用的数字仿真系统，可以实现预测，而这是美苏探月行动中所不具备的。吴克告诉记者，这是中国航天史首次实现伴飞功能，其能把月面的遥测数据和系统数据结合起来，预示车在月面走有没有风险。比如，遥测数据显示，巡视器某设备温度升高，地面仿真系统温度也跟着升高，“仿真系统伴飞功能有预示能力，它预测到随着温度越来越高，设备有崩溃的风险，就能提前让巡视器不干后面的事。”“我们凭什么有信心？”吴克说，就是因为所有规划出来的指令，都在仿真系统走了一遍，把正确的概率又提高了。假使没有这个程序，只能通过人员判断，那就存在人员误判漏判的风险。此外，围绕探月的技术发展还有，微小型化技术的发展、自主控制和智能技术的提高、新型传感器技术的问世，等等。2013年12月14日，嫦娥三号在动力下降段成功避开了一个大坑，这个大坑位于着陆点东北方17米处，直径20米、深达2～3米。在吴伟仁看来，这得归功于激光测距技术等实现的自主避障功能。当年还停留在“微波”时代的美国、苏联自然没有这个技术。阿波罗计划利用航天员在着陆过程中进行地形识别，仅仅通过航天员简单的鸟瞰，来发现和控制躲避月面障碍物，从危险区中识别出安全的着陆点。嫦娥三号着陆器系统副总设计师张熇称之为“盲降”，她告诉中国青年报记者，“设计好了这条轨道就落下去，下面有坑、有石块可能会翻倒。”“苏联、美国的月球车毕竟使用的都是40年多前的技术，‘玉兔’集成了代表当今世界科技水平的新技术：用超大规模集成电路代替了当年的晶体管，采用无刷电机技术解决了有刷电机寿命有限的问题。车载的有效载荷，无论是探测的手段，还是探测的精度都已有了质的变化。”权爽说。没有更多的国外参考，只好再造一个月球“月球的尘埃中，夹杂着类似木炭或火药的气味。当然，我们闻不到所取样品有这样的气味，因为它们被密封在盒子里。但暴露于舱内的氧气中时，我们可以嗅到航天服上粘着的尘埃那浓重的烧焦味。”阿波罗11号航天员巴兹·奥尔德林这么形容自己在月球上闻到的味道。此前，中国航天人能拿到的月面数据大多只能来自于美国等国的公开资料，“真实情况，别人说不定会藏着掖着。”王芳说。所以当看到玉兔车在月面留下的第一道轮印时，以前一直以为月壤“特别松软”的她发现，车辙没想象中的深，这意味着月壤是比较硬的。没有更多的国外参考，中国人只好再造一个月球。“航天器一旦打到天上，出了问题，总不能再派人去修吧？”嫦娥三号巡视器综合测试指挥王少林说。这要求航天器具有高可靠性，而这依赖于充分的地面验证。经过1.8万公里的选址，巡视器团队选定了敦煌西北、库姆塔格沙漠与罗布泊交界处的阿克奇谷地，“这里是中国最像月球的地方”。在这里，玉兔车曾连跑十几天，进行过公里级的“长途拉练”。沙漠里，一辆大卡车跟在徐徐前移的玉兔车后，一条电缆连着两辆车，为太阳翼没有带电池片的玉兔车提供能源。伴着轰隆的发电机，嫦娥三号巡视器综合测试指挥权爽、王少林和其他同事挤在卡车车厢内，膝盖对着膝盖，空间窄得连站都站不起来，这一挤就是十几个小时。在这样艰苦的条件下，他们实现了对巡视器的首次遥操作。进行整车月球低重力试验是嫦娥三号的重大难题之一，巡视器团队在国际上首次提出利用单吊索方式，模拟玉兔车月面轮压的测试方法。在巡视器室内试验场，负责视觉定位的遥操作主管设计师温博向记者介绍悬挂着的一个吊索，它曾把占玉兔车质量5/6的部分吊离地面，让玉兔车只用承受1/6重力。一旦承重多了，就会超出车轮的承受能力。2013年12月15日，看到玉兔车走出在月球上的第一步时，这个30岁的女航天人笑了。28岁的嫦娥三号巡视器总体主管设计师王昊宇，29岁的主管设计师薛博,还有30岁的王少林，30岁的吴克，32岁的权爽，32岁的王芳。贾阳说，整个团队每个人都在干“以前没干过的事”，正是这支新鲜的团队，锻造了中国的第一次落月。

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