毅飛

2013年12月2日1時30分，“嫦娥三號”探測器由長征三號乙運載火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，首次實現(xiàn)月球軟著陸和月面巡視勘察。10日成功降軌。15日凌晨，玉兔號月球車小心翼翼地從“嫦娥三號”著陸器上駛出來，緩緩開到布滿塵埃和礫石的月球表面，“廣寒宮”迎來了來自中國的新客人。15日晚，正在月球上開展科學(xué)探測工作的“嫦娥三號”著陸器和巡視器進行互成像實驗，“兩器”順利互拍，“嫦娥三號”任務(wù)取得圓滿成功。

“嫦娥三號”任務(wù)是世界上第130次探測月球，對于中國來說，是連續(xù)第三次探月任務(wù)取得成功，使中國成為世界上第三個掌握月球軟著陸和月面巡視探測技術(shù)的國家?！版隙鹑枴比蝿?wù)的圓滿完成，標(biāo)志著我國探月工程“繞、落、回”第二步戰(zhàn)略目標(biāo)的全面實現(xiàn)，在我國航天事業(yè)發(fā)展中具有重要里程碑意義。讓我們一起看看“玉兔”身上的高科技裝備，一起聽聽探月專家們聊“嫦娥三號”在本次任務(wù)中一些鮮為人知的故事。

揭秘“玉兔”身上的高科技裝備

2013年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，并給它安裝了各種高科技裝備。

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(fēng)，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(dān)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(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(nèi)得出月面條件下三維車輪揚塵參數(shù)，為后續(xù)探月工程月球車揚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(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行試驗，不斷優(yōu)化改進。經(jīng)過2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?？萍既藛T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”必須隨時明確三個問題：“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，是月球車實現(xiàn)能源供應(yīng)和對地通信的根本。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?？萍既藛T經(jīng)過長期調(diào)研論證，走訪了多家國內(nèi)機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。找到了路，還要具備準(zhǔn)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(qū)動，其中四個角輪可以轉(zhuǎn)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(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，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?？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(xué)成分、相似的顆粒粒度、機械強度、密度和力學(xué)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(qū)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(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)。

聽探月專家們聊“嫦娥三號”那些事

隨著月面上五星紅旗照片傳回地球，“嫦娥三號”任務(wù)已取得圓滿成功。2013年12月17日，中國科協(xié)在北京舉辦第35期“科學(xué)家與媒體面對面”活動，邀請了探月工程總設(shè)計師吳偉仁、“嫦娥三號”任務(wù)運載火箭系統(tǒng)副總設(shè)計師劉建忠、探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師張熇以及地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師蘇彥，向媒體和公眾講述了本次任務(wù)中一些鮮為人知的故事。

200多預(yù)案一個都沒用上

航天工程具有高風(fēng)險、高投入、高技術(shù)的“三高”特點，通常來說，每次任務(wù)所用的新技術(shù)、新產(chǎn)品不會超過30%，以求風(fēng)險可控。然而嫦娥三號任務(wù)中的新設(shè)備、新技術(shù)卻達(dá)到80%，信心從何而來？

吳偉仁說，本次任務(wù)中，月球車、著陸器的設(shè)計，以及月面軟著陸的經(jīng)驗，我國基本上都是空白，必須全部從頭開始。這樣風(fēng)險很大，要精心設(shè)計、計算、制造，確保質(zhì)量才可能成功。

他表示，“嫦娥三號”從發(fā)射、軟著陸，到兩器分離、互拍，每一步都完成得完美、精準(zhǔn)，甚至比預(yù)想的還順利。

其實，科研人員在按照最好結(jié)果努力的同時，也作了最壞的準(zhǔn)備。吳偉仁介紹，本次任務(wù)中科研人員準(zhǔn)備了200多個故障預(yù)案，包括每出現(xiàn)一個故障該采取什么措施，轉(zhuǎn)移到什么程度，都準(zhǔn)備得非常精細(xì)?！敖Y(jié)果到現(xiàn)在，這些預(yù)案一個都沒用上?！彼f。

“玉兔”前面的坑躲過了嗎

15日凌晨4點35分，“嫦娥三號”著陸器伸出雙臂，將“玉兔號”月球車穩(wěn)穩(wěn)地放在月面，讓人們振奮不已。但直播畫面中，“玉兔”右前方的一個大坑，卻令不少人擔(dān)憂——“在接下來的工作中，‘玉兔能躲過這個坑么？”

據(jù)介紹，這個坑直徑約20米，深度大概2至3米。不過張熇給大家送上了定心丸?！斑@個坑離著陸器還有十幾米的距離，巡視器也有自己的導(dǎo)航路徑規(guī)劃，可以繞開這個坑走，不會受影響?！彼f。

“嫦娥三號”著陸后，張熇看到監(jiān)視相機拍的圖像，先是覺得非常幸運，隨即感覺很成功。她說，照片中可以看到這個坑，還有一些石塊，但著陸器落腳的地方非常平坦，說明我們自己設(shè)計的導(dǎo)航很好地實現(xiàn)了自主避障功能。

“黑色720秒”說法并不準(zhǔn)確

嫦娥三號任務(wù)中，實施月面軟著陸的過程約12分鐘，最為驚心動魄，被許多人稱為“黑色720秒”。張熇表示，這一說法并不準(zhǔn)確。

“通常我們把航天器和地面完全無法通訊聯(lián)系的過程叫做‘黑色。”她說，“嫦娥三號”軟著陸期間，所有的遙測數(shù)據(jù)都能傳回地面，通信并沒有斷開。

然而地面對這一過程卻很難干預(yù)，只能由“嫦娥三號”自主完成。張熇說，“嫦娥三號”下降的速度非?？?，要實時判斷下降速度、高度、月表地形等，并隨時作出調(diào)整。如果將數(shù)據(jù)傳回地面，地面完成判斷后再發(fā)出指令，這個過程至少需要幾秒鐘，很難實現(xiàn)及時準(zhǔn)確的控制。

8臺科學(xué)設(shè)備已有6臺開機

盡管工程目標(biāo)已實現(xiàn)，但“嫦娥”和“玉兔”還將開展一系列科學(xué)探測。

蘇彥表示，“嫦娥三號”的科學(xué)探測任務(wù)可以用6個字來總結(jié)：巡天、觀地、測月，這是人類史上第一次利用著陸器就位和巡視器巡視相結(jié)合的探測。根據(jù)著陸器的靜止特點配備了月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、極紫外相機、降落相機和地形地貌相機；結(jié)合巡視器要運動的特點配備了測月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外成像光譜儀和全景相機，共計8臺科學(xué)儀器。

她說，“巡天”是利用月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在月球上開展天文觀測，由于月球沒有大氣干擾，觀測時間更長，看得更清楚；“觀地”是用極紫外相機對地球等離子體層進行觀測，實時記錄陽光、磁層、大氣層的相互作用，為空間科學(xué)研究和自然災(zāi)害預(yù)報提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以前在地球上只能觀測到局部，在月球則具有整體觀測優(yōu)勢。

“測月”則是指利用粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外成像光譜議測量月球上的礦物和成分，借助測月雷達(dá)局部區(qū)域進行精密剖析。

蘇彥介紹，8臺設(shè)備中目前已有6臺開機，包括降落相機、地形地貌相機、月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、測月雷達(dá)、全景相機和極紫外相機?！跋Ｍ@些設(shè)備能很快給我們帶來更多驚喜，讓我們對月球有更深的了解。”她說。

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月球上有哪些中國人名與地名？

月球，這個地球的近鄰上有沒有留下中國人的名字呢？有！

從望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明開始，人類陸續(xù)續(xù)對月球上的一些地形單元進行了命名。從1935年開始，國際月面地名命名委員會相繼對這些地名進行了整理和確認(rèn)。2010年，我國利用嫦娥工程影像數(shù)據(jù)首次申報“月球地理實體命名”，獲得國際天文學(xué)聯(lián)合會批準(zhǔn)。月面上的三個撞擊坑用我國著名科學(xué)家蔡倫、畢昇和張鈺哲的名字來命名。

根據(jù)國防科工局的資料統(tǒng)計，月球上共計有14個以中國人名和地名命名的19個月球地理實體，包括12個撞擊坑、2個月溪和5個衛(wèi)星坑。

這14個中國人名和地名包括：石申、蔡倫、張衡、祖沖之、李白、畢昇、郭守敬、萬戶、高平子、張鈺哲、神話傳說中嫦娥和瓷都景德鎮(zhèn)。此外，1976年和1985年有兩條月球正面的月溪被外國人分別用兩位中國婦女的名字命名。由于文獻資料的缺乏，至今無法確認(rèn)這兩位發(fā)音為“Wan-Yu”和“Sung-Me”的中國女性是誰。