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嫦娥三号软着陆关键技术


嫦娥三号软着陆关键看避障 最后几米最危险 2013 年 12 月 02 日 03:13 来源:新快报
原标题:四腿六轮“三姑娘” 软着陆关键看避障(2)

构型设计——四腿六轮“三姑娘”有四条腿六个轮子,是着陆器和巡视器(俗称“月球车”,官方称为“玉兔号”)的组合体。与嫦 娥一号、二号不同,嫦娥三号在名称上不叫卫星而叫器,是我国第一个“有腿”的航天器



航天科技集团主任设计师杨建中介绍,这样的组合构型,是由其任务特点决定的。嫦娥三号任务主要有两个,一是实现月面软着陆, 二是实施月面巡视勘察。这需要它既能落到月面上,还能自主动起来。将任务分解给两个探测器,有助于加快研制进度。

落月之前,巡视器作为一个载荷被安装在着陆器上,本身并不工作。整个前期飞行、动力下降以及实施软着陆过程,都是由着陆器 完成的。到月面后,二者互相配合,将巡视器释放到月面上,成为两个独立的探测器,各自在月面开展探测任务。

着陆器包含 11 个分系统,其中最有特色的当属着陆缓冲分系统,又集中体现在四条“中国腿”的外形上。据了解,其他国家的软着 陆方式主要有三种:一是气囊弹跳式,二是着陆腿式,三是空中吊车式。每种方案都有优缺点。就嫦娥三号软着陆任务来讲,气囊式不 能满足重量要求,吊车式又比较复杂,腿式能满足任务需要,保证着陆的稳定性。综合之下,嫦娥三号选用了腿式着陆。

巡视器包含 8 个分系统,其中最有特色的当属移动分系统。从外形上看,就是巡视器的 6 个轮子。

中国航天科技集团巡视器副总设计师贾阳介绍,国外巡视器的移动方案主要有三种:履带式、腿式和轮式。履带式最大的优点是压 强小、通过性强,弱点是遇到石块等容易被卡住不能动弹。腿式巡视器在平缓的地面行走尚可,但控制起来比较复杂,弄不好一下子就 坐到地上。轮式则能避免上述方式的缺点。

路径设计——前所未有

嫦娥三号的路径设计还要嫦娥一号、二号的基础上更进一层,且难度和风险大大增强。它要在近月点 15 公里处进行动力下降,接着 实现月面软着陆,然后再进行月面巡视勘察。

这 15 公里的动力下降,是以抛物线下降。探测器的相对速度要从 1.7 公里/秒逐渐减为 0,过程主要靠探测器自主来完成,人工干预 的可能性几乎为零。距月面 100 米处时,探测器还要悬停,对月面进行拍照,避开障碍物,寻找着陆点。

对于地面工程人员来说,这一过程尚属首次,存在两大风险。一是关键设备都是新研制的,包括 GNC 系统(制导、导航与控制系统) 和我国首台全新的 7500 牛变推力空间发动机。二是软着陆区域的地形地貌存在一定程度的不确定性。

等到探测器在月面实现软着陆后,着陆器和巡视器还要进行分离,实现互相拍摄。着陆器基本固定在一个位置,巡视器则需要从着 陆器上“走”下来,进行月面巡视勘察。在月面路径中,还涉及到“地面遥操作”和“巡视器自主控制”相结合的技术手段。

除了地面遥操作外,巡视器也可以利用计算机,对图像进行处理、识别障碍,规划出相对较近的局部路径,控制自身的移动。这时 候,巡视器就是一个自主移动的机器人了。

功能设计——确保月面生存

月球表面昼夜温差较大,温度高时有 120 摄氏度,温度低时在零下 180 摄氏度。而且,月球的昼夜交替周期也较长,这给“三姑娘” 的月面生存带来了很大的难度。

嫦娥三号上有一个多层隔热组件,也就是所谓的“被子”,可以双向隔热,外部高温时候热量不能往里传,外部寒冷时候里面热量 不能往外漏。

寒冷时“三姑娘”还得“生炉子”。“炉子”主要是同位素核源,它能够持续放热。设计师们还设计了重力驱动的两项流体回路, 在需要的时候将热量导入舱内,不需要的时候切断传热途径。

到了月昼时,虹湾温度迅速升高至 90 摄氏度,在月球表面,散热的方式只有热辐射。设计师们在探测器上精心设计了几个散热面, 可以把设备发出的热量散出去。

有了这些手段和方法,“三姑娘”便能很好地保护自我,在月面上生存下来,从而用携带的科学载荷进行工作。目前,着陆器主要 携带了极紫外相机、月基望远镜、地形地貌相机,还有一些对月面、月尘进行测量的工程载荷。巡视器主要携带了测月雷达、全景相机、 红外光谱仪和粒子激发 X 射线谱仪,开展相应的科学探测任务。通过它们,科学家们将为后续的月球探测积累数据,普通百姓也可以更 好地认识宇宙。

先驱探测器落月竟是“盲降”

软着陆希望能避开石头

据新华社电“据报道,嫦娥三号着陆器有避障能力,所以希望它能避开石头等任何大障碍。要知道当初美国‘勘测者’系列探测器 落月时都是‘盲降’啊”,美国航天局月球探索分析小组成员、约翰斯·霍普金斯大学科学家杰夫·普莱夏近日在接受新华社记者采访 时这样说。

据普莱夏介绍,“勘测者”探测器落月时只能简单地执行事先设计好的降落程序,然后听天由命。“勘测者”系列探测器除了在落 月中途失败过两次外,其余 5 次全部安全着陆。

苏联“月球”系列探测器也有好几次落月失败。普莱夏举例说:“在 2009 年升空的美国‘月球勘测轨道飞行器’拍摄的图像中,我 们发现了‘月球 23 号’探测器。它显然在降落时由于速度太快而发生翻滚,导致失败。所以我们看到的只能是这个探测器的‘身体’一 侧。”

“没有一个美国着陆器,无论是‘勘测者’还是‘阿波罗’,是真正水平着陆的,它们落月时都是倾斜的,”普莱夏说,“这是因 为月面凹凸不平,有很多微小的陨石坑。但对落月来说,小坑一般不是大问题,真正妨碍着陆站稳的是石头。当然,我相信中国测控人 员借助绕月探测器已经拍摄了很多图像,可以选择石头相对较少的安全月面着陆。”

太空飞行非常复杂,任何事件出错都可能导致失败。普莱夏介绍说:“如果着陆过程中出了问题,你真的什么也做不了。在月球上, 因为通信信号延迟时间短,你或许还能知道出了问题。要是在火星上,着陆都已经失败了,你还不知道呢。”

普莱夏还指出,数十年来,登月技术已有了很大进步,落月的危险小了很多,但最危险的阶段就是最后几米。对软着陆而言,最重 要的技术是避障。“当你接近月表时,如果用成像系统或雷达等扫描发现有障碍,就需让探测器移动一下位置。无论是否真有障碍,重 要的还是看避障技术。”普莱夏说。

探测器载荷大多是我国科学家首研

中国科学院副院长阴和俊:力争多出成果、快出成果、出好成果

据新华社电“此次我们组织了 100 多名科学家成立了 5 个研究小组。将力争(让‘嫦娥’、‘玉兔’)多出成果、快出成果、出好 成果。”探月工程副总指挥、中国科学院副院长阴和俊说。

此次嫦娥三号肩负三项科学任务:对着陆区与巡视区的地形地貌与地质结构进行调查;对着陆区与巡视区的矿物组成和化学成分进 行综合就位分析;对地月空间和月表环境进行探测,并以月球为平台观测地球和太空。

“‘嫦娥三号’探测器由着陆器和月球车组成,它们各配置了 4 种有效载荷。着陆器上的是地形地貌相机、降落相机、月基光学望 远镜和极紫外相机。‘玉兔’号上有全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪和粒子激发 X 射线谱仪,软着陆后它们进行分时工作。”阴 和俊说。

阴和俊表示,这些载荷大多是我国科学家首次研制用于月球探测。它们将完成巡天、观众、测月等任务。月基光学望远镜是人类首 次把望远镜架上月球,极紫外相机将首次从月球对地球等离子体层进行观测。

“中国科学家期望这次能获得第一手的资料,取得一批重要成果,为人类认识月球、利用月球、和平利用太空作出中国人应有的贡 献。”阴和俊说。


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