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。那么,“三姑娘”究竟长什么样呢?她有如何实现安全着陆月球并克服月球恶劣环境开展工作?
嫦娥◥＞
四条“中国腿”软着陆
据介绍,“三姑娘”有四条腿六个轮子,是着陆器和巡视器(俗称“月球车”)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,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,就是“玉兔”,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。
“玉兔”◥＞
相机雷达齐备
“玉兔”巡视器包含8个分系统,其中最有特色的当属移动分系统——巡视器的6个轮子。“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。
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。履带式巡视器就像电影里的机器人瓦力,它最大的优点是压强小、通过性强,但它的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。
此外,由于探测器的重量限制,嫦娥三号必须“瘦身”,进行集成化、小型化设计,还必须保证系统的可靠性。只有这样,才能保证它是一个健壮的探测器。
怎么落下去? 自主确定地方降落
嫦娥三号要在近月点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。
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。
怎么活下去? “被子”“炉子”保暖
不同于地球,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。
中国航天科技集团着陆器热控分系统主任设计师刘自军用“盖被子”“生炉子”和“开空调”等熟知的概念解释热控设计。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。
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。
登陆月球不简单 美苏多次失败避障最为重要
“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。
“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。”
普莱夏还指出,登月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。
探月五十年近半不成功
人类落月探测已走过五十余载,近半的失败率不禁使人感慨:落月探测难于上青天。
从上世纪50年代末开始,为月面着陆而发起首波冲击的是苏联“月球”号和美国“徘徊者”号系列探测器,但在它们递交的初始成绩单上却是一连串“失败”。
为了软着陆,1965年苏联操控人员向着月球5号和月球7号探测器,用力按下反方向制动火箭启动指令。然而前者的制动火箭沉默不语,后者过早发飙、提前撤火,最终全成“硬摔”。
1966年2月,苏联月球9号探测器小心翼翼地启动轨道修正发动机,制动火箭准确应答喷火,气囊及时打开,探测器底部的一根5米长探针触探月面……在如此护航下,地球“使者”终于首次平安降临月宫。
1973年1月,被寄予厚望的苏联月球车2号在“雨海”以东的“澄海”边区亮相。然而4个月后,当它在地面操控下驶入一个“年轻”的环形山时,疏松的月壤使其轮子空转,腾起的浮土覆盖了太阳能电池板和散热器,导致供电骤减、车内过热,无奈折戟。
迄今全球共实施约130次探月,成功率为51%。其中,只有美国和苏联完成了13次月面无人软着陆。
人类探月55年成效几何 苏联最早 美国最牛
上世纪五十年代开始,世界各国不断加大对月球的探测活动。据统计,自1958年至今,世界上共进行了127次月球探测活动,取得较大成就的是苏联和美国。
苏联:最先绕月探测
探月初期,苏联领先于其他各国。1959年1月2日,苏联发射的月球一号探测器实现了人类探测器首次飞越月球。1959年9月12日,苏联发射了月球二号探测器并撞击月球,成为第一个到达月球的人造物体。此后10多年里,苏联先后发射22颗月球探测卫星,其中一些到达了月球并进行拍摄、测量、采样和实地考察,揭示了月球的真实面貌。苏联还发射了其他型号的月球探测器,如,1968年9月,首次实现无人飞船绕月球飞行并成功返回地球。
从1958年到1976年,苏联共向月球发射了64个探测器。苏联也想登月,但在美国成功登月后,苏联于1976年取消了登月计划。
美国:唯一有人登月
在美国的探月史上,“阿波罗计划”起着举足轻重的作用,但这一计划出师不利。1967年1月,“阿波罗1号”发射失败,3名宇航员遇难。
1969年7月,美国“阿波罗11号”飞船成功在月球着陆,宇航员阿姆斯特朗在月球表面留下了人类第一个脚印,这也是人类月球探测最辉煌的成果。美国之后又多次发射“阿波罗”号飞船对月球进行探测。
由于财政预算紧缩等原因,“阿波罗计划”之后的近30年间,美国的探月步伐大大放缓。1986年,美国提出重返月球建立月球基地的设想。1994年1月和1998年1月,分别发射了“克莱门汀”号月球轨道器和“月球勘探者”号轨道器对月球进行探测,为日后建立月球基地探路。
日本:第三个发射探测器
1990年1月,日本成功向月球轨道发射了“飞天号”科学卫星。但这一小型探测卫星很快失灵,最终于1993年4月坠毁在月球上。
2007年9月14日,日本成功发射“月亮女神”号绕月探测卫星。2009年6月,“月亮女神”在完成了调查任务后撞向月球表面,完成最终使命。这是日本进行真正意义上的月球探测的开端。
20世纪80年代,由欧洲17国组成的欧空局开始探月研究。2003年9月27日,欧空局将“智能”1号探测器送入太空并完成多项探测任务。此外,印度也于2008年10月22日发射了第一颗绕月飞行器“月船1号”。
□文图均据新华社
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