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专家讲述“玉兔号”月球车的星际传奇

2013年12月04日来源:央视网编辑:黄丽娟我有话说

      “嫦娥三号”正怀抱“玉兔”奔向月宫,即将与这颗神秘的地球卫星亲密接触。“玉兔号”作为中国首辆月球车,也蕴含着很多有待揭开的秘密。

  “玉兔号”月球车是什么样的?

  月球车,学名“月面巡视探测器”,是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。

  中国探月工程副总指挥李本正11月26日宣布,我国首辆月球车——“嫦娥三号”巡视器全球征名活动结束,月球车命名“玉兔号”。“玉兔号”既体现了中华民族的传统文化,又反映了我国和平利用太空的宗旨。传说中,当年嫦娥怀抱玉兔奔月,玉兔善良、纯洁、敏捷的形象与月球车的构造、使命既形似又神似。

11月4日,“玉兔号”月球车原理样机亮相上海中国国际工业博览会。

11月4日,“玉兔号”月球车原理样机亮相上海中国国际工业博览会。

  整整10年时间,一大批科研人员完成了这辆能够耐受月表真空、强辐射和高温差等极端环境的月球车。中国探月工程总设计师吴伟仁说,“玉兔号”实现了全部“中国制造”,国产率达到100%。

  “玉兔号”月球车重约140千克,呈长方形盒状,长1.5米,宽1米,高1.1米,周身金光闪闪,有6个轮子,由移动、导航控制、电源、热控、结构与机构、综合电子、测控数传、有效载荷8个分系统组成,业内人士形象地称之为“八仙过海,各显神通”。月球车副主任设计师魏然用4句话形容它:肩插“太阳翼”,脚踩“风火轮”,身披“黄金甲”,腹中“秘器”多。

  “玉兔号”以太阳能为能源,具备20度爬坡、20厘米越障能力,并配备有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器。

  中外月球车有何不同?

  中国空间技术研究院研究员庞之浩介绍说,迄今为止,世界上发射并成功运行的月球车有5辆,其中2辆是无人探测月球车,是苏联在上世纪70年代发射的“月球车”1号和2号;3辆是有人驾驶的月球车,分别由美国“阿波罗”15号、16号、17号登月时携带。

  中国的“玉兔号”月球车是无人驾驶月球车,与苏联的月球车相比是“小个子”,“小而精,能完成任务就行了,也节约成本。”庞之浩说。

  庞之浩指出,无人月球车难度更大,因为上面有很多仪器,要保证在无人的状态下行驶,仪器能正常工作;有人驾驶的月球车主要作为一个交通工具,扩大航天员在月球上的活动范围,上面基本没有什么仪器,由航天员驾驶起来也相对容易一些。

11月4日,“玉兔号”月球车原理样机亮相上海中国国际工业博览会。

11月4日,“玉兔号”月球车原理样机亮相上海中国国际工业博览会。

  北京大学地球与空间科学学院教授、中国空间科学学会空间探测专业委员会副主任焦维新表示,距离上次月球车登月已过去近40年,电子设备、探测仪器都非当年可比,无论是材料、驱动系统的选择还是探测仪器,过去都不可能有。因此,中国的月球车比之前的先进是肯定的,尽管某些方面不是当今世界上最先进的,但肯定不会是上世纪70年代的重复。

  “玉兔号”将执行哪些任务?

  12月2日凌晨,中国在西昌卫星发射中心成功将肩负首次登月任务的探测器“嫦娥三号”送入轨道。由着陆器和“玉兔号”月球车组成的“嫦娥三号”,预计于12月中旬在月球虹湾区软着陆。吴伟仁说,在月球实现软着陆是“嫦娥三号”探月任务中最难的一环。

  “着陆器通过反推发动机缓冲,在月面上徐徐降落,舱门打开,弹出斜梯。月球车缓缓舒展蜷缩的身体,调整好姿态,走出舱门,滑下斜梯,开始漫步月球……”中国科学院院士、探月工程高级顾问欧阳自远这样描述“玉兔号”月球车登临月球的场景。

  之后,“玉兔号”月球车将驶离着陆器,在月面进行3个月的科学勘测,着陆器则在着陆地点进行原地探测。“玉兔号”底部安装了一台测月雷达,可发射雷达波,探测二三十米厚的月球土壤结构,还可以对月球下面100米深的地方进行探测。“这是世界上其他国家从来没有做过的事情。”欧阳自远说。

  “静若处子,动若脱兔。”有限的时间,意味着“玉兔号”月球车的工作必须是高效的——依靠各种先进设备,对月表进行三维光学成像、红外光谱分析,开展月壤厚度和结构科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析,等等。

  着陆器的设计寿命是一年,月球车的则只有3个月。它们将在完成任务后永远留在月球。“当然,我们希望它能够实现这个寿命,也希望超过这个寿命,就像‘嫦娥二号’一样。”吴伟仁说,“嫦娥二号”的设计工作时间是半年,但是到现在还在工作,已经3年多了。“设计寿命过后,就看它们的生存能力了。”

  “玉兔号”着陆地点为何选在虹湾区?

  这次“嫦娥三号”预定的月球着陆区“虹湾”,并不是真的海湾,而是像彩虹一样的巨型陨石坑壁。月球上有很多地方以“海”和“洋”命名。古人望月,以为看到的是海,其实不是。虹湾区位于月球北纬43度左右、西经31度左右,南北长约100千米、东西长约300千米。“比北京海淀区小一点,月球车探测的只是虹湾区的一部分,据专家介绍是5平方公里”,庞之浩说。

  “严格来说,月球没有水,没有空气,也谈不上美”,焦维新说,在绘图时一般习惯把平坦的地方绘上蓝色,高一点的地方绘上黄色,再高一点的绘上红色,月球虹湾区整体低洼平坦,用常规方法绘出来就是一个美丽的海湾,“有点像我们的渤海湾”。

  庞之浩介绍,之所以选择在虹湾区落月,是出于多种综合因素的考虑:一是这里比较平坦,落月比较安全;二是美苏的探测主要集中在月球赤道附近,虹湾仍是月球研究的空白,探测该区域非常有科学价值;三是能实现正面直接测控通讯;四是太阳光照较好,能保证探测器的太阳能电池板正常工作。

  “玉兔号”如何克服月球上超过摄氏300度的温差挑战?

  “古人把月亮称为广寒宫,一点都不假。月面夜间最低温度可以降至摄氏零下180度,电子设备根本无法工作。”中国探月工程副总指挥、探月与航天工程中心主任李本正说,“更要命的是,月球上的一晚上相当于地球上的14天,可谓‘长夜漫漫真难熬’!”

  更糟糕的是,由于月球上的一天约相当于地球上的28天,其中约14天会被太阳连续暴晒,月球车面临散热难题;接下来的约14天又是连续月夜,在摄氏零下100多度的环境里,大部分电子设备无法工作,只能“冬眠”,还需要专门设备保持月球车的内部温度,防止设备被冻坏。要让探测器同时适应这两种极端温度,难度非常大。而且一旦夜昼交替,探测器还要从“冬眠”状态中被“唤醒”,如何保证系统正常启动也是道难题。

  “玉兔号”月球车身披“黄金甲”,目的不是为了好看,而是为了反射月球白昼的强光,降低昼夜温差,同时阻挡宇宙中各种高能粒子的辐射,从而支持和保护月球车上的红外成像光谱仪、激光点阵器等10多套科学探测仪器。

  按照科研人员的精心设计,“玉兔号”与人类的作息制度一样,也是日出而作、日落而息,白天还要午休,只不过它每天的工作时间相当于地球上的14天,然后又会一觉睡14天。

  漫漫长夜之后,“玉兔号”怎么才能立刻点火工作呢?它需要一床御寒的“被子”和一个叫它起床工作的“闹钟”。承担这两项功能的是它的供电系统——太阳翼。据“嫦娥三号”探测器副总设计师贾阳介绍,晚上,“玉兔号”的桅杆会收起来,太阳翼也会扣上,“这个过程中相当于把巡视器(月球车)散热的途径隔绝掉了。然后,当阳光逐渐从东边起来,到达5度的高度时,巡视器就被唤醒了,进入到第二天白天的正常工作。”

  “不仅气温低时要睡觉,气温高时也要小憩。”测控系统主任设计师张波介绍,“白天时,‘玉兔号’月球车的太阳能电池帆板还要调整角度,避免被阳光照射得太热。最热的月午,月球车还要进行‘午休’。”这种作息极大地增强了“玉兔号”适应月表恶劣环境的能力。

  对一些特别娇嫩的设备,月球车内还专门准备了“暖宝”——核电池。核电池提供电能的时间非常长,一个硬币大小的核电池,就可使用5000年。这项技术如能成功,将使我国成为继美俄之后,世界上第三个将核动力应用于太空探测的国家。

  “玉兔号”如何在月球表面如履平地?

  尽管整体来讲虹湾地区比较平坦,但月球表面千万年来经历陨石撞击,遍布大大小小的陨石坑和石块。为了避免在月球上“摔跤”或“崴脚”,“玉兔号”月球车有6个特制的轮子,而且移动很慢——每小时最多走200米。

  “这个轮子学名叫做筛网轮,能够尽可能减轻重量。另外,这个车轮在设计上必须要有很大的接触面积,摩擦系数也要很大,这样它在月面才不会陷进去,也不容易打滑。”“嫦娥三号”探测器系统专家曾令斌说。庞之浩介绍,由于轮子是网状的,所以一边行驶一边可以把沙子漏掉。

  除了表面用筛网,轮子每隔一段就会有一个锯齿形的结构,叫做棘爪,就像是兔爪上的指甲。月球上本没有路,这些尖利的小爪子能够帮助“玉兔号”稳稳地抓住月面,跨过沟沟坎坎。

  遇到地面不平的情况时,“玉兔号”会通过摇臂调整重心。如果遇到较大的坡,它就会绕过去。全程参与“玉兔号”研制的主任设计师肖杰说,“玉兔号”有4只“眼睛”,分别是全景相机和导航相机。通过相机“观察”周围环境,对月面障碍进行感知和识别,然后对巡视的路径进行规划。遇到超过20度的斜坡、高于20厘米的石块或直径大于2米的撞击坑,月球车能够自主判断并安全避让。

  “玉兔号”是从40多个月球车中“脱颖而出”的

  据探测器系统副总指挥兼副总设计师张玉花透露,“2007年国家任务定型的时候,月球车满地跑,中国有40几个月球车竞争比较。”40几个月球车满地跑,最后是怎么确定下来的呢?张玉花说,这个型号的巡视器和着陆器由一家单位研发,当时认为更合适,接口更好。如今,“玉兔号”月球车八个分系统中,有四个半是上海航天人研制的。
   
  据中国月球探测车的先驱者、哈尔滨工业大学81岁教授刘暾介绍,作为中国首辆月球车,其关键技术有2项是由哈工大科研人员研制的,包括温度调控系统技术和车轮构型、材质设计技术。“玉兔号”月球车实现了全部“中国制造”,国产率达100%。其中月球车温度调控系统是哈工大的一项领先世界的先进技术。为适应极端环境,“玉兔号”月球车热控分系统利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源,可耐受摄氏零下180度至零上150度的极限温度。工作时的舱内温度可以控制在摄氏零下20度至零上50度之间。

  刘暾介绍,月球车在月面“行走”时风险重重,车轮掀起的月壤细粒会大量扬起,形成月尘,一旦附着将很难清除。月尘可能引起月球车很多故障,包括机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等。月球车的车轮形状和材质成为一个很重要的解决月尘的关键点。为了确认哪种车轮的构型更适应月球环境,哪种材质更适合月球表面的环境,科研人员进行了几千次的实验。

  外媒对“玉兔”行走月球甚是期待
   
  法国《阿尔萨斯最新消息》报说,中国成功发射入轨的“嫦娥三号”探测器正携带“玉兔”奔向月球。此次任务标志着中国雄心勃勃的太空计划迈出了关键一步。中国正努力实现其首次月面软着陆,以期成为继美国和苏联之后第三个成功接受这一挑战的国家。法国新闻广播电台指出:“中国‘玉兔’月球车起飞了,它将在未来几个月探测一个我们从未涉足的区域——月海虹湾。中国在实现征服太空的抱负方面正跨越一个重要阶段。”

  日本最大的太空开发网站“sorae.jp”称,嫦娥三号是中国发射的第三个月球探测器,它承担着中国首次月面着陆任务,并准备施放无人月球车,向月面行走发起挑战。如能实现月面软着陆,这将是1976年苏联“月球24号”探测器在月面着陆以来,时隔37年的又一壮举。

  巴西门户网站UOL畅想道:到本世纪20年代,人们将会看到中国航天员在月球漫步,甚至会在月球长期停留。

  挪威通讯社说,近些年来,中国和印度相对更加注重发展航天。中国探月和印度发射火星探测器,在当今太空探索方面树立了重要里程碑。过去,只有美国和俄罗斯可以做这样的事。

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