“玉兔號”即將登月：激光光學(xué)設備護航

　　11月26日，國防科工局宣布，肩負落月重任的嫦娥三號計劃12月上旬擇機發(fā)射，備受矚目的中國首輛月球車(chē)——嫦娥三號巡視器，正式定名“玉兔號”。

　　浩瀚蒼穹，璀璨群星，又將見(jiàn)證屬于中國的“太空大片”。這部大片的主角——“玉兔號”月球車(chē)，將實(shí)現中國人與月球首次“零距離接觸”的夢(mèng)想。

　　那么，現實(shí)版“玉兔”究竟啥模樣？如何進(jìn)行探月之旅？又有哪些先進(jìn)的科學(xué)設備？嫦娥三號任務(wù)序幕徐徐開(kāi)啟之際，我們將帶您一探究竟，揭開(kāi)中國首輛月球車(chē)的神秘面紗。

　　“從外觀(guān)看，樣機與真機一模一樣�！备敝魅卧O計師魏然用4句話(huà)來(lái)形容這個(gè)140公斤重的“寶貝疙瘩”：肩插“太陽(yáng)翼”，腳踩“風(fēng)火輪”，身披“黃金甲”，腹中“秘器”多。

　　“身材”呈長(cháng)方形盒狀，長(cháng)1.5米，寬1米，高1.1米，周身金光閃閃，耀眼奪目。她的肩部有兩片可以打開(kāi)的太陽(yáng)能電池帆板，好似“黃金甲”上的披風(fēng)。她的腿部是六個(gè)輪狀的移動(dòng)裝置，好似哪吒腳下的“風(fēng)火輪”。

　　此外，她還有一個(gè)長(cháng)長(cháng)的“耳朵”——地月對話(huà)通訊天線(xiàn)；4只敏銳的“眼睛”——頭頂的導航相機與前后方的避障相機；一只靈巧的“胳膊”——負責鉆孔、研磨和采樣的機械臂……

　　魏然介紹，身披“黃金甲”，目的不是為好看，而是為了反射月球白晝的強光，降低晝夜溫差，同時(shí)阻擋宇宙中各種高能粒子的輻射。所有這一切，都是為了支持和保護月球車(chē)的腹中“秘器”——紅外成像光譜儀、激光點(diǎn)陣器等10多套科學(xué)探測儀器。

　　“‘玉兔號’是一臺長(cháng)著(zhù)輪子、能適應惡劣環(huán)境并開(kāi)展科學(xué)探測的航天器，一個(gè)智能化、低功耗、高集成的機器人，一位承載華夏兒女探月夢(mèng)想的巡視者�！闭勂鹬袊�首輛月球車(chē)，航天科技集團公司宇航部部長(cháng)趙小津如是說(shuō)。

　　“玉兔號”月球車(chē)8個(gè)分系統：

　　“玉兔號”月球車(chē)由移動(dòng)、導航控制、電源、熱控、結構與機構、綜合電子、測控數傳、有效載荷8個(gè)分系統組成，業(yè)內人士形象稱(chēng)之為“八仙過(guò)海，各顯神通”。

　　★移動(dòng)分系統：采用輪式、搖臂懸架方案，具備前進(jìn)、后退、原地轉向、行進(jìn)間轉向、20度爬坡、20厘米越障能力；

　　★導航控制分系統：攜帶有相機及大量傳感器，在得知周?chē)�環(huán)境、自身姿態(tài)、位置等信息后，可通過(guò)地面或車(chē)內裝置，確定速度、規劃路徑、緊急避障、控制運動(dòng)、監測安全；

　　★電源分系統：由兩個(gè)太陽(yáng)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(yáng)能為車(chē)上儀器和設備提供電源；

　　★熱控分系統：利用導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、同位素熱源，可使月球車(chē)工作時(shí)艙內溫度控制在+55℃～-20℃之間；

　　★結構與機構分系統：由結構和太陽(yáng)翼機械部分、桅桿、機械臂構成，主要為各種儀器、設備、有效載荷提供工作平臺；

　　★綜合電子分系統：將中心計算機、驅動(dòng)模塊、處理模塊等集中一體化，采用實(shí)時(shí)操作系統，實(shí)現遙測遙控、數據管理、導航控制、移動(dòng)與機構的驅動(dòng)控制等功能；

　　★測控數傳分系統：保證月球車(chē)與地球38.4萬(wàn)公里的通信以及與著(zhù)陸器之間的通信；

　　★有效載荷分系統：月球車(chē)配備的科學(xué)探測儀器，包括全景相機、紅外成像光譜儀、測月雷達、粒子激發(fā)X射線(xiàn)譜儀等。

　　光學(xué)及激光設備為“玉兔號”保駕護航

　　1、落月靠"3只眼"

　　嫦娥三號任務(wù)是我國探月工程“繞、落、回”三步走中的第二步，是承前啟后的關(guān)鍵一步。在“繞月”階段，中科院上海技術(shù)物理所、上海光學(xué)精密機械所為嫦娥衛星研制了“激光眼”——激光高度計，為我國首幅全月面三維圖提供了高程，相當于地球上的海拔高度。即使在無(wú)可見(jiàn)光的月面環(huán)境下，激光計也能“拍攝”自如。

　　但比起距離月面一兩百公里外的繞月，零距離接觸的落月對激光測距精度和速度提出了極高要求。在我國探月初期，嫦娥衛星對月發(fā)射一束激光，在月面形成的“激光足印”約有120米方圓范圍，而嫦娥三號激光測距的“足印”將小到米級，測量精度進(jìn)一步提高，可實(shí)時(shí)監測嫦娥三號著(zhù)陸器距離月面的高度。

　　除了這束“大激光”，“嫦娥”還有一道靈敏度極高的“小激光”。當“嫦娥”向月面釋放著(zhù)陸器，著(zhù)陸器將在接近月面時(shí)，通過(guò)激光三維成像，進(jìn)一步“觀(guān)察地形”，獲取正下方圖像。如下方不適合降落，它就馬上換一塊地方，確保著(zhù)陸點(diǎn)相對更為平坦。這種接近“現場(chǎng)直播”的實(shí)時(shí)成像需在數秒內完成，為此中科院上海技物所研制的三維成像系統采用了多源激光并掃、實(shí)時(shí)成像方法，這種實(shí)測方式是在著(zhù)陸月球時(shí)首次應用。

　　兩只“激光眼”之外，“嫦娥”另有一只“紅外眼”——紅外成像光譜儀。這臺儀器置于俗稱(chēng)“月球車(chē)”的月面巡視器上，當巡視器從著(zhù)陸器中駛出，便開(kāi)啟這一關(guān)鍵探測設備。這只“眼睛”不但能在可見(jiàn)光范圍獲得上百個(gè)光學(xué)波段的圖像，還能用來(lái)探索可見(jiàn)光之外的“光”，捕捉月球物質(zhì)資源放出的紅外線(xiàn)光譜。因為每種物質(zhì)都有其獨特的“紅外圖譜”，紅外成像光譜儀以極高的光譜分辨率“拍攝”月表物質(zhì)，并能通過(guò)計算機直接將物質(zhì)分門(mén)別類(lèi)。

　　對于登月任務(wù)以及其后實(shí)施的返回任務(wù)，衛星發(fā)射重量越輕越好，因此“嫦娥”嚴格控制體重。相關(guān)項目負責人上海技物所研究員王建宇透露，此次星載的紅外成像光譜儀只有5公斤多，是“嫦娥”3只眼中最輕的，而機載的同類(lèi)光譜儀重量可達百公斤。今后，這種超輕型成像光譜儀器還能用于火星、小行星等更遙遠的深空探測任務(wù)。

　　2、月球“照相機”瘦身到5公斤

　　安裝在嫦娥三號月球車(chē)“腹部”的紅外成像光譜儀，就像一只敏銳的眼睛，將仔細察看月面的礦物組成—這可是王建宇的最新成果。它原先搭載在飛機上，“體重”超過(guò)100公斤，顯然不適合上天。為此，王建宇帶領(lǐng)團隊絞盡腦汁，將它“瘦身”到5公斤左右，可以穩穩當當地裝入一尺見(jiàn)方的盒子內，并采用了一系列創(chuàng )新技術(shù)，使它“目光”敏銳�，F在，王建宇就期盼著(zhù)月球車(chē)上的紅外成像光譜儀能帶回合格的圖像。

　　激光測距儀和激光三維成像儀則將承擔起幫月球車(chē)尋找“落腳點(diǎn)”的重任—當月球車(chē)離著(zhù)陸點(diǎn)只有幾十公里時(shí)，它們將及時(shí)打開(kāi)，以小于1米的精度，實(shí)時(shí)測量降落高度，其研制難度超過(guò)了嫦娥一號上的激光高度計。

　　2003年，時(shí)任中國探月工程首席科學(xué)家的歐陽(yáng)自遠院士找到中科院上海技術(shù)物理所，提出研制激光高度計的要求�；叵肫甬敃r(shí)情形，王建宇說(shuō)他感到了從未有過(guò)的壓力：大功率激光上天，國內從來(lái)沒(méi)做過(guò)！

　　這除了要克服真空、失重、高壓等困難，激光高度計還要能在200公里外，抓住月面反射回來(lái)的微弱激光信號，這就好比要不偏不倚地捕捉一大幅畫(huà)面中的一個(gè)光點(diǎn)。同時(shí)，上天的設備就怕能量大，可高度計的激光器瞬時(shí)功率高達30兆瓦。在地面上，這個(gè)功率能把幾米開(kāi)外的鐵板打得直冒火花。

　　這一強一弱之間，包含著(zhù)無(wú)數難題。經(jīng)過(guò)三年多攻關(guān)，王建宇團隊終于交出了令人滿(mǎn)意的答卷。與此同時(shí)，一支年輕的團隊也逐步成長(cháng)起來(lái)。此次隨嫦娥三號上天的兩個(gè)激光儀器就是由當年激光高度計團隊帶出來(lái)的年輕博士黃庚華領(lǐng)銜研制的。

　　“玉兔號”本領(lǐng)很高強

　　具備20度爬坡、20厘米越障能力，可耐受300攝氏度溫差

　　仰望夜空，明媚的月亮婀娜溫情。然而，月亮之上，卻沒(méi)有想象中的浪漫。無(wú)風(fēng)、無(wú)雨、無(wú)空氣，而且冷熱劇變，這就是真實(shí)的月面環(huán)境。

　　“月球重力是地球的六分之一，表面土壤非常松軟，凹凸不平，有石塊、有隕石坑，還有陡峭的高坡。在這種環(huán)境中，月球車(chē)既不能打滑，更不能翻車(chē)�！比�程參與研制的主任設計師肖杰說(shuō)。

　　想要克服這些困難，“玉兔號”必須具備“眼觀(guān)六路、耳聽(tīng)八方”“獨立思考、自主判斷”的本領(lǐng)。

　　肖杰介紹，“玉兔號”有4只“眼睛”，分別是全景相機和導航相機。通過(guò)相機“觀(guān)察”周?chē)�環(huán)境，對月面障礙進(jìn)行感知和識別，然后對巡視的路徑進(jìn)行規劃。遇到超過(guò)20度的斜坡、高于20厘米的石塊或直徑大于2米的撞擊坑，能夠自主判斷安全避讓。

　　月球車(chē)在月面“行走”風(fēng)險重重，月壤細粒會(huì )大量揚起，形成月塵，一旦附著(zhù)很難清除。月塵可能引起月球車(chē)很多故障，包括機械結構卡死、密封機構失效、光學(xué)系統靈敏度下降等。

　　在月表形貌綜合模擬試驗控制室，記者看到一片高低起伏的綿軟“沙子”。為模擬月球環(huán)境，科研人員特地從長(cháng)白山運回與月球表面物質(zhì)成分相近的火山灰，并通過(guò)鋼絲吊掛月球車(chē)，模擬微重力環(huán)境。

　　“我們試驗了幾千次，就是為了確認哪種車(chē)輪的構型更適應月球環(huán)境�！毙そ苷f(shuō)，“‘玉兔號’在月面巡視時(shí)采取自主導航和地面遙控的組合模式，不僅可以自主前進(jìn)、轉彎、后退，還可以原地打轉、橫向側擺，確保在危機四伏的月面上暢行無(wú)阻�！�

　　此外，月球晝夜溫差非常大，白晝時(shí)溫度高達150攝氏度，黑夜時(shí)低至零下180攝氏度。為適應極端環(huán)境，“玉兔號”月球車(chē)利用導熱流體回路、隔熱組件、散熱面設計、電加熱器、同位素熱源，可耐受300攝氏度的溫差。

　　“零距離”接觸38萬(wàn)公里外神秘月亮

　　“著(zhù)陸器通過(guò)反推發(fā)動(dòng)機緩沖，在月面上徐徐降落，艙門(mén)打開(kāi)，彈出斜梯。月球車(chē)緩緩舒展蜷縮的身體，調整好姿態(tài)，走出艙門(mén)，滑下斜梯，開(kāi)始漫步月球……”中國科學(xué)院院士、探月工程高級顧問(wèn)歐陽(yáng)自遠，這樣描述“玉兔號”月球車(chē)登臨月球的場(chǎng)景。

　　“此前，‘玉兔號’月球車(chē)由著(zhù)陸器背負，通過(guò)光學(xué)、微波等敏感器測量，在月球上空懸停、平移、避障，選擇最佳著(zhù)陸點(diǎn)安全降落月球表面�！睔W陽(yáng)自遠說(shuō)，“在這個(gè)過(guò)程中，著(zhù)陸器將采取路徑優(yōu)、燃料省、誤差小的模式實(shí)現安全著(zhù)陸�！�

　　歐陽(yáng)自遠說(shuō)，“玉兔號”月球車(chē)堪稱(chēng)一款非常聰明的機器人，依靠自主導航，選路線(xiàn)、上下坡、避障礙，走走停停，邊走邊“看”，并把探測到的數據自動(dòng)傳回地球，幫助人類(lèi)更加直接、更加準確地了解38萬(wàn)公里外神秘美麗的月亮。

　　據介紹，“玉兔號”月球車(chē)底部安裝了一臺測月雷達，可發(fā)射雷達波探測二三十米厚的月球土壤結構，還可以對月球下面100米深的地方進(jìn)行探測�！斑@是世界上其他國家從來(lái)沒(méi)有做過(guò)的事情�！睔W陽(yáng)自遠說(shuō)。

　　“靜若處子，動(dòng)若脫兔�！庇邢薜臅r(shí)間，迫使“玉兔號”月球車(chē)高效工作——依靠各種先進(jìn)設備，對月表進(jìn)行三維光學(xué)成像、紅外光譜分析，開(kāi)展月壤厚度和結構科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現場(chǎng)分析，等等。

歐洲空間局助中國登月：采集任務(wù)信號

北京時(shí)間12月2日消息，據歐空局官網(wǎng)報道，在嫦娥3號月球探測器發(fā)射升空之后，歐洲空間局(ESA)的追蹤站網(wǎng)絡(luò )馬上開(kāi)始了運作，為其為期5天的月球之旅提供關(guān)鍵支持。12月2日凌晨01:30，搭載嫦娥3號的長(cháng)征三號乙運載火箭在中國四川的西昌衛星發(fā)射中心順利升空。

歐空局的庫魯測控站

歐空局的庫魯測控站

追蹤網(wǎng)絡(luò )控制室

嫦娥3號包括著(zhù)陸器和一輛六輪的“玉兔號”月球車(chē)，將于12月14日在月球的虹灣著(zhù)陸。這是自1976年蘇聯(lián)的月球24號探測器之后，第一個(gè)登陸月球的探測器。在發(fā)射之后，歐空局位于法屬圭亞那的庫魯測控站立即開(kāi)始了任務(wù)信號采集，并代表北京控制中心進(jìn)行命令的上傳。在為期5天的登月之旅中，每天都要進(jìn)行這樣的跟蹤。之后，在嫦娥3號降落和著(zhù)陸之后，歐空局的深空站將對其路徑和觸地進(jìn)行精確定位。

“來(lái)自我們地面站和飛行動(dòng)態(tài)團隊的專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)，以及世界各地的跟蹤站網(wǎng)絡(luò )(Estrack)所提供的尖端技術(shù)，在中國這次登陸器及月球車(chē)前往月球的過(guò)程中提供了幫助，對此我感到非常驕傲，”歐洲空間局載人航天與運營(yíng)的主管托馬斯·萊特(Thomas Reiter)說(shuō)，“在未來(lái)探索行星、月球和小行星的過(guò)程中，無(wú)論是人類(lèi)還是機器人任務(wù)，像類(lèi)似的國際合作都是十分必要的，對每一個(gè)參與者都有好處�！�

目前，位于德國達姆斯塔特的歐空局Estrack控制中心已經(jīng)開(kāi)始運作。在嫦娥3號發(fā)射后44分鐘左右，庫魯站直徑15米的碟狀天線(xiàn)將開(kāi)始接收第一組信號。庫魯站還與中國的測控站合作，為12月6日嫦娥3號進(jìn)入月球軌道，以及12月14日的下降和著(zhù)陸過(guò)程提供測控支持。著(zhù)陸器降落以及月球車(chē)的操作命令將通過(guò)中國的兩個(gè)測控站進(jìn)行傳達，分別是位于新疆的喀什站，和位于東北的佳木斯站。

“在登陸器和月球車(chē)到達月球表面之后，我們將使用位于西班牙塞夫雷羅斯和澳大利亞新諾爾恰的35米直徑深空天線(xiàn)，為其提供‘delta-DOR’定位測量服務(wù)，”歐空局Estrack控制中心的相關(guān)負責人埃里克·瑟倫森(Erik Soerensen)說(shuō)，“通過(guò)‘delta-DOR’技術(shù)，我們可以計算出高精度的著(zhù)陸地點(diǎn)，這將為中國同行們對登陸器進(jìn)行精確定位提供幫助�！�

在著(zhù)陸過(guò)程中，塞夫雷羅斯和新諾爾恰的深空天線(xiàn)也將記錄嫦娥3號的無(wú)線(xiàn)電信號，這將幫助中國國家航天局重建著(zhù)陸軌跡，為未來(lái)探測提供參考。此外，一組中國工程師團隊也將前往德國達姆斯塔特，“盡管Estrack控制中心非常國際化，但沒(méi)有人會(huì )說(shuō)中文，因此中國同行們的到來(lái)，將有效地幫助我們應對可能發(fā)生的未知問(wèn)題，”埃里克·瑟倫森說(shuō)，“雙方正在利用國際化的技術(shù)標準，保證我們的測控站和控制中心與中國的任務(wù)和地面系統進(jìn)行交流�！�(任天)