媒体解读嫦娥三号月球着陆关键:躲避障碍物

媒体解读嫦娥三号月球着陆关键:躲避障碍物

■嫦娥三号月球车设计质量140千克,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。

昼夜温差大,探测器也要散热、“盖被子生炉子”

据新华社电嫦娥三号探测器,是我国第一个“有腿”的航天器,也是中国人首次用来尝试地外天体软着陆的航天器。“三姑娘”长什么样,是如何设计出来的?记者采访了中国航天科技集团的有关专家。

发射克服了四大挑战

据新华社电这次成功发射克服了哪些挑战?探月工程发射场系统副指挥长赵民此前在接受记者采访时说,嫦娥三号技术状态新、要求标准严、技术难度大,发射需要克服四大挑战。

低温燃料加注。长征三号乙运载火箭三级采用的是液氢、液氧推进剂。液氢的保存温度为零下253摄氏度,液氧的保存温度为零下183摄氏度,在加注时燃料不可避免地产生挥发,所以必须精确计算燃料的加注量。如果第一窗口不能发射,还涉及将液氢液氧的卸出问题,极易使火箭保温箱发生损坏,不仅会影响低温燃料的再次加注,还可能导致爆炸。

气候复杂多变。西昌属山区地形,素有“十里不同天”之称,气候变化频繁。此外,火箭低温燃料加注对温度变化要求很高,这些无疑给气象预报增加了不小的难度。

“零窗口”发射要求高。嫦娥三号任务是多窗口、窄宽度发射。12月共有3天6个窗口。发射窗口最长4分钟,最短的仅为1分钟,对发射的精准度要求很高。一旦第一个发射窗口不能发射,必须要尽快进入第二个发射窗口的工作状态。根据任务安排,第一个发射窗口与第二个发射窗口间隔仅40多分钟,所以转换难度很大,对快速装订不同弹道参数等方面提出更高要求。

多重任务交叉重叠。发射场在执行嫦娥三号任务时,还承担了其他航天器的发射任务。这给发射中心及各系统间的组织指挥、统筹协调、质量监督和人员调配提出了挑战。

长征三号乙"大力士"瘦身强体武艺高

有“双眼”入轨精度比嫦娥二号提高3倍多

据新华社电中国探月“三年一会”。2007年,长三甲火箭用了14天托举嫦娥一号奔月。2010年,长三丙火箭将嫦娥二号直接送入地月转移轨道,奔月之旅只用了5天。12月2日凌晨,我国长征系列火箭中运载能力最强的“大力士”——长三乙增强型火箭将托举重量更重、体积更大的嫦娥三号探测器飞天奔月。

“大力士”是如何瘦身健体托举“嫦娥”的?有何新武艺?嫦娥三号运载火箭系统总指挥、总设计师和火箭专家们为您解析。

精雕细琢“瘦”下去

“要‘长途跋涉’把3780公斤的‘嫦娥’精准地送入远地点38万公里的地月转移轨道,已达到长征三号乙火箭的运载能力极限。长三乙增强型的起飞推力是600吨,要提高载荷能力,火箭自身必须‘瘦身’。”嫦娥三号探测器火箭系统总指挥岑拯说。

中国航天科技集团公司运载火箭技术研究院为长三乙量身制定了三子级氢氧贮箱减重方案。贮箱的自重就像“脂肪”,承载的燃料就像身体蕴含的能量。在能量不变的情况下,“脂肪”越少,运载的能力也就越大。

为此,运载火箭技术研究院首次采用新型机械壁板铣的方式。这种方法铣出来的壁板光滑、精度高、厚度误差在0.1毫米之内。正是这样的精雕细琢,使得贮箱成功减重50公斤。

金牌动力“强起来”

“面对中国飞行器首次对地外天体进行直接探测的全新使命,六院倾力打造高可靠、高性能‘嫦娥三号’飞天动力,使火箭动力系统‘推得精,飞得稳’。”火箭发动机专家、中国航天科技集团公司六院院长谭永华说。

与发射神舟十号用的长二F火箭相比,长三乙增强型增加了一个三子级。这级火箭由两台氢氧发动机和若干台姿控发动机组成。

“氢氧发动机使用液氢、液氧低温高能推进剂,采用泵压式燃气发生器动力循环,燃气串联双涡轮泵系统,具有双向摇摆,高空两次启动能力。它使嫦娥三号奔月之旅更加稳健。”六院副院长刘志让说。

此外,科研人员对长三乙运载火箭一、二级及助推器发动机进行了一系列可靠性增长改进,使得发动机飞天动力更强劲,质量更可靠。多项创新“武艺高”

科研人员对火箭开展了六大专项技术攻关。火箭系统总设计师姜杰等专家解析了长三乙增强型火箭的“几板斧”。

其一,高精度制导控制技术,入轨精度较嫦娥二号提高3倍多。科研人员采用双激光惯组加卫星导航修正的复合制导技术,相当于给火箭安了“两只眼睛”,一只眼睛使火箭按照设计好的轨道飞行,另一只眼睛精确计算最佳途径,并随时修正。

其二,攻克多窗口发射技术,实现多轨道窄窗口发射。为保证顺利发射,科研人员为嫦娥三号设计了6条飞行轨道,精确计算出6个发射窗口。但每个窗口非常窄——第一窗口约4分钟,第二窗口仅约1分钟。

其三,为嫦娥三号量身打造“坐椅”。针对嫦三“大个”身材,科研人员研制了直径1750毫米,高度1760毫米的超大卫星支架适配器,让嫦三能够稳稳落座。

其四、研制箭载摄影装置,实时监控火箭发射全过程。科研人员在长三乙上安装了3台摄像机。

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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