揭秘“玉兔”身上的高科技装备_1
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  12月14日晚,嫦娥三号探测器带着玉兔号月球车翩然落月,让流传千年的美丽神话成为现实。

  接下来,玉兔将离开嫦娥的怀抱,探索这片神奇的土地。

  据悉,为让它能在月球健康生活、圆满完成任务,中国航天科技人员考虑得细致入微,并给它配备了各种高科技装备。

  密封圈帮玉兔抵御月尘

  阿波罗号宇航员登月后回忆说,飞船着陆的一刹那,四周扬起的月尘使他惊呆了。

  由于月球上没有风,且重力只有地球的六分之一,月尘扬起来后会长时间悬浮在半空中。这让科技人员不禁担忧:玉兔在月面行动,会带起多大的扬尘?对它的健康会造成多大影响?

  为此,航天科技集团总环部模拟月尘项目组通过技术攻关,对真空环境下月球车三种花纹车轮的临界起尘点、转速与起尘高度的试验规律、扬尘颗粒的速度矢量、扬尘颗粒的尺寸范围、扬尘颗粒的运动轨迹和范围等开展了研究。通过计算修正,首次在国内得出月面条件下三维车轮扬尘参数,为后续探月工程月球车扬尘问题提供了重要参考。

  研究发现,这些直径小于1毫米的月尘,破坏力不容小视。尤其是侵蚀到月球车的活动部件,将造成部件的异常磨损,降低其使用寿命。防尘密封圈因此成为玉兔正常工作的必要保障。

  该集团公司八院承担了这项工作,首先面临的难题是材料。月面环境十分恶劣,且不说高真空、强辐射等特点,光是150摄氏度到零下180摄氏度的温差,足以将各种普通材料拒之门外。同时,登月产品对轻量化有严格要求,这也排除了过于复杂的机械密封手段。

  科技人员还是选择了轻盈的塑料和橡胶,但为其配方大费周章。每次新配比的材料都要经过硬度、磨耗系数等多项测试。经过不断探索,终于将选材问题圆满解决。

  密封圈的设计也是难点。稍微松一点,尘土会侵入;稍微紧一点,不仅增加活动关节的摩擦阻力,还会加大自身磨损。月球车共有6种不同尺寸的活动关节需要防尘密封,科技人员针对各关节的不同尺寸、不同转速、不同力矩、不同安装部位等,细化了对密封圈的技术要求,并分别对其各项性能进行试验,不断优化改进。经过两年时间、60多次试验,他们做出了主副唇双密封层的创新设计,完成了双密封圈串联安装以及密封唇过盈量优化,可确保防尘密封效果。

  乘导轨离开嫦娥怀抱

  登月后,玉兔想要四处撒欢,先得从嫦娥身上下来。但它位于嫦娥三号顶部,怎么下是个问题。

  科技人员为它设计了两根转移机构悬梯导轨,只要它能精确地将左右车轮分别行驶到两根导轨上,保持稳定,就能安全到达月面。

  但其实,想要保持稳定并不简单。一是嫦娥三号的最终着陆点未必平坦,如果出现倾斜,两根导轨之间也会存在倾斜角度;即使落点地势较平,在释放悬梯导轨的过程中,月球车车轮也可能滑动,万一滑落,后果不堪设想。

  为防止出现这样的悲剧,航天科技集团八院科技人员对月球车静态稳定性开展了攻关。他们从车轮的棘爪入手,使其能与导轨悬梯上的棘齿咬合,再引入DSP+FPGA架构设计和模块化电机驱动设计,提高控制精度,确保车轮零转速保持,就能让月球车稳稳地停在导轨上。

  除了用于安全分离,玉兔脚上的棘爪还有助于提高它的通过能力。月面上的地形千奇百怪,不仅有平原,还有起伏的山峦、崎岖的高地,都覆盖着几十厘米至几十米厚的月壤。月壤松软、干燥,呈沙土状,普通车轮很容易下陷或打滑,提高车轮的直径和宽度,又势必增加重量。科技人员提出了这种带有棘爪的筛网轮设计构想,经过挂钩牵引力、适应性、承载力等测试,效果出人意料。

  在保证月球车行驶和越障能力方面,科技人员采用了独立转向的构型方案。如果单侧某一车轮越过20厘米高的障碍时,月球车能在差动机构和摇臂作用下被动适应月面地形,让所有车轮均与月面接触。即使行进间某个轮子被卡住,其他独立驱动的车轮也能帮助它摆脱困境。

  精密大脑为玉兔指引方向

  开展月面探测,玉兔必须随时掌握三个问题:我在哪?我要去哪?和我怎么去?这需要一个精密的大脑。我国首套巡视探测GNC系统担当了此项重任。

  该系统由航天科技集团五院耗费十年研发而成,让玉兔能看得清、辨得明、走得正。

  知道自己的位置,这是月球车实现能源供应和对地通讯的根本。但月面环境具有低重力、弱磁场、真空和辐射等特点,在地球应用成熟的指南针、导航仪等手段都不可用,加之月球车有严苛的重量和功耗约束,其定位方式的选择更是难上加难。科技人员经过长期调研论证,走访了多家国内机器人和野外车辆研究院所,完成了上千次数学仿真,最终找到了适合月球车的导航定姿定位方案,并确定了导航敏感器指标。

  想知道我要去哪,要求月球车具备一双明亮的眼睛,让它能在陌生的月面看清周围的地形。五院研发了我国首套月球双目视觉在轨三维恢复系统。该系统拥有两个镜头,能把看到的二维地形信息经过处理运算后,变成三维坐标信息。尽管月面被尘土覆盖,纹理不清;太阳斜照,地面上阴影遍布,但在这双眼睛的帮助下,玉兔照样能准确地辨别障碍。

  目的地确定了,怎么去?玉兔必须自己寻找一条安全的道路。科技人员找遍了国内外所有能查到的路径规划方法,逐一进行适用性研究和仿真验证,最终提出了自己的路径规划方法。但找到了路,还要具备准确沿路径行驶的能力。玉兔采用的是六轮摇臂式移动装置,六个轮子都能独立驱动,其中四个角轮可以转向,但除了自身运动能力外,考虑月面松软月壤下的轮土接触力学关系,减少滑移等现象。针对这些因素,科技人员设计了十多种运动控制律,经过千余次仿真验算,最终确定了协调的控制方法,实现了对规划路径的准确跟踪控制。

  太阳翼白天遮阳晚上保暖

  白天工作完了,玉兔在晚上也要睡觉,此时,它独特的太阳电池翼可以发挥被子的作用。

  由于月夜温度可低至零下180摄氏度,月球车进入睡眠状态后,其腹腔内的设备如果完全暴露在极寒环境下,必然被损坏。为此,玉兔会把太阳电池翼收拢,裹在肚子上保暖。

  相比目前国内大多数航天器太阳翼的一次性展开方案,玉兔这样能重复展开的太阳翼,给科技人员带来了更大挑战。

  通过创新设计、反复论证和不断改进,科技人员最终确定了两翼展开式设计方案,-Y太阳翼为一次展开并锁定在-190位置;+Y太阳翼可重复展开,除实现对日定向功能外,还能在月夜休眠阶段收拢至零位状态保温、在月午温度较高期间能竖起展开到90遮阳,这在其他航天器上从未应用过。

  为了保证太阳翼适应月面恶劣环境的考验,科技人员一方面增加地面试验的次数,另一方面还提高了地面试验的难度。比如温度适应方面,地面试验中做到了零下200摄氏度到165摄氏度,以确保产品的可靠性。

  在地球造月宫开展演习

  尽管给玉兔带上了大量户外装备,科技人员仍担心它难以适应月球环境。怎么办?干脆造一座月宫让它演练一下。航天科技集团实施的地面验证试验,成为这次试验任务的一大亮点。

  要最大程度地营造月面环境,除了低重力环境、超过300摄氏度温差的高低温环境、超高真空环境等因素外,光是模拟月壤、月貌就让科技人员大费周章。

  月壤颗粒的中值粒径大约在40至200微米之间,平均约70微米。科技人员翻阅了大量资料,选取了多种火山灰进行比对,在分析矿物组成、化学成分、相似的颗粒粒度、机械强度、密度和力学性能等物理特性,并综合价格、运输条件等外部因素后,选取了东北长白山的火山灰作为模拟月壤。他们把不同中值粒径的模拟月壤按照试验需求铺装在不同区域,最终建成了月表综合形貌实验室。

  在这间尘土飞扬、没有空调的实验室里,科技人员陪同玉兔开展了艰苦的训练。仅移动分系统极限能力试验行驶里程就累计超过20公里,爬坡次数、越障次数各达到700多次,一个个数据让月球车的安全系数不断提高。有这些充分、扎实的前期工作为基础,相信玉兔一定能在月球上做出精彩表现。

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