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        新雷達(dá)指路登月點(diǎn)

        2009-01-01 00:00:00桂祺瑩
        新知客 2009年3期

        新的傳感技術(shù)將幫助宇航員登月時從容地選擇最佳著陸地點(diǎn)。重要的是,這一次不會再像四十年前那樣,計(jì)算機(jī)臨時算不過來,讓宇航員幾乎靠“猜崩”來做決定了。

        蘭利研究中心隸屬于NASA,那兒的專家現(xiàn)在熱衷于談?wù)摪⒉_時代的飛船,讓你知道那時候飛船著陸有多危險(xiǎn),因?yàn)檫@可以體現(xiàn)ALHAT的重要性。ALHAT,自動登陸與避免危險(xiǎn)技術(shù)工程的縮寫,這是一個正在加緊研究的項(xiàng)目。簡單來說,它可以利用傳感技術(shù)幫助下一代登月飛船找一個安全的地方著陸,甚至避免像過去那樣,到了月球表面才知道繞遠(yuǎn)了。

        不合格的成功

        1969年7月16日,阿姆斯特朗、奧爾德林和柯林斯隨同阿波羅11號從卡納維拉爾角起飛。

        阿波羅11號的登陸點(diǎn)在靜海南部,之所以選擇在靜海登錄,原因是它比較平整。這一信息的提供者是流浪者8號、勘察員5號以及月球軌道器。他們是阿波羅計(jì)劃的先遣部隊(duì)。它們用傳感器找到月球并使照相機(jī)對準(zhǔn)適當(dāng)?shù)姆较?,然后用自動相機(jī)拍照,傳回地球。其中,勘察員5號為NASA貢獻(xiàn)了19,049 張高分辯率月面圖片,并登陸月面,證明月面足以支撐飛行器,不會發(fā)生塌陷的情況。NASA從眾多月面圖片中,相中了相對平整的靜海。原以為靜海平整的月面不會給降落和艙外活動制造太多困難,但事實(shí)是,靜海月面沒有預(yù)料的那么平整,而且月塵也給后來的登陸添了不少亂。

        登月艙下降時由船載計(jì)算機(jī)控制。在高度大約為34000英尺(約10千米)的地方,阿姆斯特朗曾聽到主報(bào)警器發(fā)出過刺耳的警報(bào)聲,計(jì)算機(jī)顯示出過載的信號。當(dāng)時的計(jì)算機(jī)十分原始,還比不上現(xiàn)在的一個智能手機(jī)。而著陸雷達(dá)提供的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了飛船計(jì)算機(jī)的承受能力。因此,呼號為“鷹”的登月艙在下降彈道中多飛了4秒,也就是說飛過了最佳的登月點(diǎn)。而且這一差就是數(shù)千米遠(yuǎn)。在經(jīng)過阿姆斯特朗的手動修復(fù),并由休斯頓把一些計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給距飛船25萬英里(約40萬千米)外的地面計(jì)算機(jī)之后,在休斯頓的約翰遜太空中心,飛行控制指揮官史蒂夫#8226;貝爾斯仍然面臨著一個關(guān)鍵的、一剎那間的抉擇——終止登月計(jì)劃,或者命令宇航員按照計(jì)劃行動,不要理會計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的問題。貝爾斯后來承認(rèn),他是“憑直覺”允許阿姆斯特朗嘗試登月的。

        在中心的命令下,“鷹”沖向一個直徑幾百英尺的大坑,所剩燃料僅夠用30秒鐘。火箭的排氣吹起月面的塵埃,塵土高達(dá)30~50米,一股腦地?fù)湎虻窃屡?,霧蒙蒙混沌一片,徹底擋住了阿姆斯特朗的視線?!按灯鸬膲m埃越來越濃,”他后來說?!跋裨诳焖僖苿拥臐忪F中著陸?!彼高^模糊不清的視線盯著仍然能看清的大石塊,最終硬生生地落在月面。在登月艙里,阿姆斯特朗和奧爾德林把手伸過儀表盤,默默地握了一下。

        登月過程中的程序警報(bào)是“執(zhí)行溢出”,意味著導(dǎo)航計(jì)算機(jī)無法在規(guī)定時間內(nèi)完成預(yù)定任務(wù)。后來發(fā)現(xiàn),溢出的原因是登月艙的對接雷達(dá)在降落時沒有關(guān)閉,使計(jì)算機(jī)仍然監(jiān)視并不在使用的雷達(dá)。由于在緊急關(guān)頭的一句“繼續(xù)”,史蒂夫#8226;貝爾斯后來獲得了一枚總統(tǒng)自由勛章。

        第一次登月,計(jì)算機(jī)過載影響了導(dǎo)航的精確度,而月塵影響了能見度,接下來,阿波羅12、阿波羅15號和阿波羅16號也遇到過同樣的問題。

        美國宇航局約翰遜航天中心,同時也是ALHAT項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人,艾普(Chirold Epp)相信今后不用再擔(dān)心這樣的問題。“阿波羅號著陸的任務(wù)是次不合格的成功。盡管成功著陸,宇航員也順利出倉并出色地完成了任務(wù),但這并不意味沒有險(xiǎn)情。2020年,美國人重返月球,阿波羅11號的情況不會再現(xiàn),因?yàn)槲覀冇蠥LHAT。它將極大提高宇航員著陸時的安全性。”艾普說。

        新面孔,新挑戰(zhàn)

        無論是為了重返月球,或是登陸火星,新技術(shù)的開發(fā)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被納入到了被艾普稱為ALHAT的新計(jì)劃中。

        在蘭利研究中心的實(shí)驗(yàn)室里,一架正在組裝中的球形雷達(dá)系統(tǒng)成了研究人員重點(diǎn)保護(hù)的對象。這個雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)包含了多種鏡頭,乍看就像科幻小說中的秘密武器,其實(shí)它包含了兩種新型傳感技術(shù)。其中一種新型技術(shù)是使用三維互動成像技術(shù)來探測登陸區(qū)域的地形,在取得精確三維地形圖像后,能自動識別特定登陸點(diǎn)是否具有潛在危險(xiǎn)。其中,三維成像是利用距離傳感器獲取目標(biāo)表面的距離圖像,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)表面幾何形狀的測量,獲取目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)。

        日前,蘭利研究中心的科研人員已經(jīng)在加利福尼亞羅杰斯干湖上空進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。同時,還進(jìn)行了飛行器的速度測定,以及飛行器指定地點(diǎn)精確降落的測試。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室專門為這兩項(xiàng)技術(shù)度身定做了一套數(shù)據(jù)運(yùn)算法則,作為這兩種技術(shù)的后期數(shù)據(jù)處理方式。

        NASA的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科技人員認(rèn)為,ALHAT中的正在開發(fā)的雷達(dá)系統(tǒng)將比現(xiàn)在鳳凰號火星探測器上所使用的整套雷達(dá)系統(tǒng),在速度控制的精確度和數(shù)據(jù)更新速度上快10倍。

        據(jù)艾普介紹,與阿波羅登月一樣,未來的登月計(jì)劃同樣將面對有限的燃料供應(yīng)和短暫的著陸時間。在ALHAT的幫助下,航天器可以多次、安全、快速、準(zhǔn)確地定位登月著陸地點(diǎn)?!斑@是非常重要的一點(diǎn),因?yàn)槲磥砦覀兊奶剿鲗⒚鎸Ω游kU(xiǎn)的環(huán)境,地形和照明條件也將更具挑戰(zhàn)性?!?/p>

        作為未來登月備選著陸點(diǎn)之一的是月球南極附近的區(qū)域,在一個將近12英里寬, 7.5英里深的所謂沙克爾頓環(huán)形山的邊沿。在那里,宇航員最想看到的月面特征會隱藏在陽光斜射產(chǎn)生的陰影里。不難想象,巨石、隕石坑和傾斜的山坡都會給航天器登月造成很大困撓,它們會使飛船處在一個不穩(wěn)定的角度,甚至使它四腳朝天翻倒在地。還有前面所說的火箭排氣所揚(yáng)起的致盲性粉塵,它也會遮擋宇航員的視線,讓他們看不清巨石,斜坡或隕石坑。

        “ALHAT能應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。著陸地點(diǎn)的光照不夠?我們會帶上自己的燈。月球上的塵埃阻止我們看清地表和斜坡?我們能從足夠遠(yuǎn)的有利角度找出地表所有重要的細(xì)微差別,灰塵將不再是問題?!蔽挥诩永D醽喼菖了_迪納市的NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的ALHAT項(xiàng)目經(jīng)理約翰遜(Andrew Johnson)說。

        那么,ALHAT是如何做到這一切的?

        飛向沙克爾頓基地

        “激光就是ALHAT能夠運(yùn)行的原因,就像黑暗中的光線”, 約翰遜說,“當(dāng)我們用激光投射地表,激光被反射回來,接收器能夠讀取反射回來的激光信號,把這一信息通過特別設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理,就能得出三維立體的月球表面圖像。這個過程在一秒鐘內(nèi)重復(fù)三十次?!?/p>

        這樣,山脈、火山口、丘陵和巨石,這些你無法從窗外看到的都將出現(xiàn)在飛行器的屏幕上。 ALHAT會通過儲存在記憶體中的三維月球地圖自動對這些地表特征進(jìn)行比較。

        “這就是所謂的地形相對導(dǎo)航”, 約翰遜說?!皩τ谔幱诮德潆A段的宇航員來說,盡早確認(rèn)自己處于正確的軌道是非常重要的。如果宇航員比計(jì)劃的運(yùn)行軌道略微偏左和偏低,ALHAT會發(fā)出快速調(diào)整降落角度和速度,使其盡快回到正確的軌道。距離月表的高度越低,ALHAT顯示的地表細(xì)節(jié)就越多?!?/p>

        在預(yù)設(shè)的著陸時間前兩分鐘,飛行器離地表高度5000英尺(約1500米),離著陸點(diǎn)距離1英里(約1600米),進(jìn)入著陸的最后階段。 ALHAT開始通過激光和脈沖性的引擎推進(jìn)定位預(yù)先選定的著陸區(qū)域,與此同時,著陸區(qū)域的三維地圖會顯示在屏幕上。

        “當(dāng)接近著陸區(qū)域, ALHAT進(jìn)入一個稱為危險(xiǎn)探測和回避的模式”,艾普說,“它將檢測著陸地點(diǎn)附近所有的火山口、巖石和危險(xiǎn)的斜坡,并提供一個最佳著陸方案。我們有信心,在登月器離著陸點(diǎn)四分之三英里的地方,ALHAT就可以提供一個包括每一個火山口、石頭和斜坡的地圖,并定位一個面積在十六分之一平方英里以內(nèi),大約32個足球場那么大的理想的著陸區(qū)域?!?/p>

        “當(dāng)宇航員將ALHAT提供的信息與他們從窗外所看到的進(jìn)行比較,就是所謂的人機(jī)交互間隔” 艾普說,“他們會利用所掌握的一切信息,決定是否繼續(xù)選擇最初設(shè)定的著陸點(diǎn),或轉(zhuǎn)移到一個新的著陸點(diǎn),亦或徹底放棄著陸計(jì)劃?!?/p>

        當(dāng)然,飛行器垂直降落,火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的氣流依舊會揚(yáng)起滾滾塵埃,宇航員無法看見著陸地點(diǎn)的地表。但2020年重返月球,計(jì)算機(jī)不會再過載,而屏幕上會清楚地顯示ALHAT所看到的一切。

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