腳踩“風(fēng)火輪”，腹部“秘器”多

　　2004年，我國探月工程得到國務(wù)院正式批準(zhǔn)立項，分“繞、落、回”三期分步實施。“嫦娥三號”任務(wù)作為二期工程的主任務(wù)，是我國航天器首次在地球以外天體實現(xiàn)軟著陸和巡視探測活動，是探月工程“繞、落、回”三步走中承前啟后的關(guān)鍵一步。為實現(xiàn)月面軟著陸，我國成功開發(fā)了新型航天平臺——著陸探測器，采用了梁板復(fù)合式結(jié)構(gòu)設(shè)計和可大范圍伸縮的四腿式著陸緩沖機(jī)構(gòu)，設(shè)計了自主式、高精度的分段減速懸停式無人著陸控制方案。

　　中國航天科技集團(tuán)公司宇航部部長趙小津說，從嚴(yán)格意義上來說，月球車并不是一輛車，而是一個長著輪子、能夠適應(yīng)惡劣空間環(huán)境并開展空間科學(xué)探測的航天器，是一個小型化、低功耗、高集成、高智能的機(jī)器人，公眾習(xí)慣稱之為“月球車”。據(jù)了解，月球車駛下著陸探測器后，可通過地面遙操作控制和自主規(guī)劃路徑，自主導(dǎo)航等開展長期的科學(xué)探測。在活動現(xiàn)場，記者看到了月球車1:2的模型，從模型上看，它的大腦袋上有一個定向天線和幾個太陽敏感器，兩側(cè)為太陽翼，尾巴上很多天線，右后側(cè)是導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)。它腳踩六個“風(fēng)火輪”似的移動裝置，腹部的“秘器”最多：包括紅外成像光譜儀、避障相機(jī)、機(jī)械臂、激光點陣器等。除此之外，“嫦娥二號”月球車組成還有：結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)，由結(jié)構(gòu)和太陽翼機(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;綜合電子分系統(tǒng)：將中心計算機(jī)、驅(qū)動模塊、處理模塊等集中一體化，采用實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)遙測遙控、數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航控制、移動與機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制等功能;測控數(shù)傳分系統(tǒng)：保證月球車與地球38.4萬公里的通信以及與著陸探測器之間通信;有效載荷分系統(tǒng)：主要是月球車配備的科學(xué)探測儀器，包括全景相機(jī)、紅外成像光譜儀、測月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀等。

　　月球車以太陽能為能源，能夠耐受月球表面真空、強(qiáng)輻射，以及從正150攝氏度到負(fù)180攝氏度，溫差超過300攝氏度的極限溫度和環(huán)境。工作時的艙內(nèi)溫度可以控制在零下20攝氏度至零上50攝氏度之間。月球車憑借六個輪子可實現(xiàn)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。“月面松軟、崎嶇不平、障礙物很多。月球車能夠?qū)υ旅姝h(huán)境和障礙進(jìn)行感知和識別，然后對巡視的路徑進(jìn)行規(guī)劃。月球車在月面巡視時采取自主導(dǎo)航和地面遙控的組合模式。”探月工程副總指揮、探月與航天工程中心主任李本正說。

　　大干三個月，一覺睡兩周

　　1.動身

　　今年12月，中國將在西昌衛(wèi)星中心用長征—3B增強(qiáng)型火箭發(fā)射“嫦娥三號”。

　　2.著陸

　　當(dāng)“嫦娥三號”完成發(fā)射、飛行到達(dá)月球時，著陸探測器采取不同制導(dǎo)方式，從距月面15公里處開始動力下降，經(jīng)過主動減速、調(diào)整接近、懸停避障等飛行階段，實現(xiàn)路徑優(yōu)、燃料省、誤差小的安全著陸。

　　到達(dá)月球軌道后，月球車將由著陸器背負(fù)，由變推力液體火箭發(fā)射器控制，通過各種光學(xué)、微波等敏感器測量，在月球表面百米高度上進(jìn)行懸停和平移，以規(guī)避巖石和深坑等障礙，選擇最佳著陸點緩慢降落月球表面。

　　3.準(zhǔn)備

　　著陸器為月球車充電，對月球車進(jìn)行初始化;之后月球車與地面建立通信鏈路，控制連接解鎖機(jī)構(gòu)解鎖，走上轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu);著陸探測器將控制轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運動到月面，月球車駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，開始勘查。

　　4.勘查

　　為期3個月，月球車將依靠各種先進(jìn)設(shè)備對月表進(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)的科學(xué)探測;對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析。

　　月球上一天的時間相當(dāng)于地球上的27天略多，因此，月球晝夜間隔大約相當(dāng)于地球上的14天。李本正說，“嫦娥三號”月球車電源分系統(tǒng)，由兩個太陽電池陣、一組鋰離子電池組、休眠喚醒模塊、電源控制器組成，利用太陽能為車上儀器和設(shè)備提供電源，不僅可以保證月球車白天連續(xù)工作相當(dāng)于地球的14天，而且由于月夜無法通過光能發(fā)電，在月球車進(jìn)入休眠狀態(tài)后，過了14天還必須能夠自動喚醒重新工作。也就是說，月球車在月球上是連續(xù)工作14天，然后“睡”14天再重新工作。

　　月球表面白晝時溫度高達(dá)150℃，黑夜時低至-180℃，溫差超過300℃，尤其是月面上的晝、夜時間差分別長達(dá)約14天，必須保證月球車在長時間極端溫度條件下能夠正常工作。“嫦娥三號”月球車熱控分系統(tǒng)，利用導(dǎo)熱流體回路、隔熱組件、散熱面設(shè)計、電加熱器、同位素?zé)嵩?，可使月球車工作時的艙內(nèi)溫度控制在+55℃～-20℃之間。在月球表面巡視的3個月中，月球車將依靠各種先進(jìn)設(shè)備對月表進(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)的科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析。它傳回來的數(shù)據(jù)，將幫助人們更直接、更準(zhǔn)確地了解神秘的月亮。

　　“替身演員”地面模擬

　　當(dāng)“嫦娥三號”完成發(fā)射、飛行到達(dá)月球時，著陸探測器采取不同制導(dǎo)方式，從距月面15公里處開始動力下降，經(jīng)過主動減速、調(diào)整接近、懸停避障等飛行階段，實現(xiàn)路徑優(yōu)、燃料省、誤差小的安全著陸。著陸探測器實現(xiàn)在月球表面軟著陸后，首先由著陸器為月球車充電，對月球車進(jìn)行初始化;之后，月球車與地面建立通信鏈路，控制連接解鎖機(jī)構(gòu)解鎖，走上轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu);在此之后，著陸探測器將控制轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)運動到月面，月球車駛離轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，開始3個月的月面巡視勘察。

　　在月面巡視勘察過程中，它可以利用相機(jī)對周圍環(huán)境進(jìn)行感知，并將數(shù)據(jù)傳回地面;地面控制中心利用環(huán)境數(shù)據(jù)和月球車狀態(tài)信息進(jìn)行建模、分析和規(guī)劃，并對規(guī)劃進(jìn)行運動仿真和驗證;把通過驗證的控制指令再上傳給月球車，月球車將執(zhí)行控制指令，并自主完成近距離障礙識別和局部路徑規(guī)劃，利用攜帶的儀器進(jìn)行科學(xué)探測;對于給出的任務(wù)計劃，還可根據(jù)具體情況選擇地面操作模式或者自主運行模式。根據(jù)科學(xué)探測的需要，以上過程循環(huán)往復(fù)。依靠先進(jìn)的設(shè)備，“嫦娥三號”月球車能夠?qū)ρ惨晠^(qū)月表進(jìn)行三維光學(xué)成像，對月表進(jìn)行紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)的科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析，等等。它傳回來的數(shù)據(jù)，將幫助我們更加準(zhǔn)確、更加直接地了解那個神秘美麗的月亮。

　　其實，月球車的背后有個“替身演員”。這就是嫦娥三號月球車地面模擬車，用作發(fā)射前的地面模擬試驗。“都是我們研究所的老師參與研制，制作了1年多。”東南大學(xué)機(jī)器人傳感與控制技術(shù)研究所所長宋愛國教授告訴記者。宋愛國介紹說，東大研制的月球車地面模擬車和真正上天的月球車在結(jié)構(gòu)和外形上不完全一樣，但是在控制系統(tǒng)、車體硬度性能和機(jī)器臂遠(yuǎn)程控制等方面都一致。“月球車進(jìn)行月面巡視探測任務(wù)時的地月通訊，比如指令能不能從地面發(fā)上去，發(fā)上去后月球車控制性能如何，信號能否返回地面，在真正上天之前，都要進(jìn)行地面遙操作試驗。但是真正的月球車造價很高，所以這些針對通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)的試驗，都是由月球車地面模擬車來完成。”

　　承擔(dān)中國探月工程第二步“落月”任務(wù)的嫦娥三號探測器將于今年12月份擇機(jī)發(fā)射，它將實現(xiàn)中國航天器首次在地外天體的軟著陸，從嫦娥三號著陸器中釋放的月球車還將完成中國首次在月表的巡視探測。9月25日，探月與航天工程中心啟動為中國第一輛月球車全球征名的活動，要求名稱體現(xiàn)探月理念和月球車特點，部分獲獎?wù)邔⒂袡C(jī)會免費親臨西昌發(fā)射中心現(xiàn)場觀摩嫦娥三號發(fā)射。目前，包括月球車、嫦娥三號著陸器等組件，都已經(jīng)被運抵西昌衛(wèi)星發(fā)射基地。探月工程總設(shè)計師吳偉仁說，這是我國第一輛月球車，國產(chǎn)率達(dá)到100%。

　　避開障礙“閑庭信步”

　　月球車在月面行走是此次嫦娥三號的最大看點。從創(chuàng)新性來看，主要體現(xiàn)為中國首次實現(xiàn)在地外天體表面無人自動巡視、首次實現(xiàn)探測器月夜生存、首次建立覆蓋火星探測范圍的測控通信網(wǎng)、首次自主開展月面就位科學(xué)探測等4個方面。與以往相比，嫦娥三號最大難點是實現(xiàn)軟著陸，最大亮點是月球車在月面行走，而要實現(xiàn)以上兩點必須涉及到無人月面著陸器與自動巡視車。此次巡視車底部裝有脈沖雷達(dá)，也是全世界探月史上的創(chuàng)新。

　　從技術(shù)角度，此次登月意味著，我國在精確導(dǎo)航技術(shù)、適應(yīng)極限溫度的材料技術(shù)、遙感成像探測技術(shù)都有新的突破。

　　精確導(dǎo)航技術(shù)方面，嫦娥三號探測器著陸過程自離月15公里高度開始，著陸過程中需要識別并避開月面障礙。需要通過各種光學(xué)、微波等敏感器測量，在月球表面百米高度上進(jìn)行懸停和平移，選擇最佳著陸點，這些都需要對與飛行器的精確導(dǎo)航。

　　月球表面白晝與黑夜溫差超過攝氏300度，為了在極端環(huán)境下順利完成任務(wù)，月球車熱控分系統(tǒng)利用導(dǎo)熱流體回路、隔熱組件、散熱面設(shè)計、電加熱器、同位素?zé)嵩?，可耐受攝氏零下180度至零上150度的極限溫度。此次發(fā)射也是對與我國新材料，尤其在適應(yīng)極限溫度方面的一次考驗。

　　遙感成像探測技術(shù)方面，在月球表面巡視的3個月中，月球車將對月表進(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)的科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析，將應(yīng)用“多維精細(xì)超光譜遙感成像探測技術(shù)”。該技術(shù)由中科院上海技術(shù)物理研究所研發(fā)，這表明我國遙感成像探測技術(shù)已獲重要突破。