嫦娥“三姑娘”素描：四腿六輪 路徑設(shè)計前所未有

嫦娥三號發(fā)射成功。

　　嫦娥三號探測器，是我國第一個“有腿”的航天器，也是中國人首次用來嘗試地外天體軟著陸的航天器。“三姑娘”長什么樣，與此前的嫦娥一號、二號相比有什么特點，是如何設(shè)計出來的？記者采訪了中國航天科技集團(tuán)的有關(guān)專家。

　　構(gòu)型設(shè)計——四腿六輪

　　據(jù)介紹，“三姑娘”有四條腿六個輪子，是著陸器和巡視器（俗稱“月球車”）的組合體。與嫦娥一號、二號不同，嫦娥三號在名稱上不叫衛(wèi)星而叫器，是我國第一個“有腿”的航天器。

　　航天科技集團(tuán)主任設(shè)計師楊建中介紹，這樣的組合構(gòu)型，是由其任務(wù)特點決定的。嫦娥三號任務(wù)主要有兩個，一是實現(xiàn)月面軟著陸，二是實施月面巡視勘察。這需要它既能落到月面上，還能自主動起來。將任務(wù)分解給兩個探測器，有助于加快研制進(jìn)度。

　　落月之前，巡視器作為一個載荷被安裝在著陸器上，本身并不工作。整個前期飛行、動力下降以及實施軟著陸過程，都是由著陸器完成的。到月面后，二者互相配合，將巡視器釋放到月面上，成為兩個獨立的探測器，各自在月面開展探測任務(wù)。

　　著陸器包含11個分系統(tǒng)，其中最有特色的當(dāng)屬著陸緩沖分系統(tǒng)，又集中體現(xiàn)在四條“中國腿”的外形上。據(jù)了解，其他國家的軟著陸方式主要有三種：一是氣囊彈跳式，二是著陸腿式，三是空中吊車式。每種方案都有優(yōu)缺點。就嫦娥三號軟著陸任務(wù)來講，氣囊式不能滿足重量要求，吊車式又比較復(fù)雜，腿式能滿足任務(wù)需要，保證著陸的穩(wěn)定性。綜合之下，嫦娥三號選用了腿式著陸。

　　巡視器包含8個分系統(tǒng)，其中最有特色的當(dāng)屬移動分系統(tǒng)。從外形上看，就是巡視器的6個輪子。

　　中國航天科技集團(tuán)巡視器副總設(shè)計師賈陽介紹，國外巡視器的移動方案主要有三種：履帶式、腿式和輪式。履帶式巡視器就像電影里的機器人瓦力，它最大的優(yōu)點是壓強小、通過性強，但它的弱點是遇到石塊等容易被卡住不能動彈。腿式巡視器在平緩的地面行走尚可，但控制起來比較復(fù)雜，弄不好一下子就坐到地上。輪式則能避免上述方式的缺點。

　　此外，由于探測器的重量限制，嫦娥三號必須“瘦身”，進(jìn)行集成化、小型化設(shè)計，還必須保證系統(tǒng)的可靠性。只有這樣，才能保證它是一個健壯的探測器。

　　路徑設(shè)計——前所未有

　　此前，嫦娥一號和二號對到達(dá)月球的路徑已經(jīng)做了先期的成功探索。由于任務(wù)需要，嫦娥三號的路徑設(shè)計還要在此前基礎(chǔ)上更進(jìn)一層，且難度和風(fēng)險大大增強。它要在近月點15公里處進(jìn)行動力下降，接著實現(xiàn)月面軟著陸，然后再進(jìn)行月面巡視勘察。

　　這15公里的動力下降，是以拋物線下降。探測器的相對速度要從1.7公里/秒逐漸減為0，過程主要靠探測器自主來完成，人工干預(yù)的可能性幾乎為零。距月面100米處時，探測器還要懸停，對月面進(jìn)行拍照，避開障礙物，尋找著陸點。

　　對于地面工程人員來說，這一過程尚屬首次，存在兩大風(fēng)險。一是關(guān)鍵設(shè)備都是新研制的，包括GNC系統(tǒng)（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)）和我國首臺全新的7500牛變推力空間發(fā)動機。二是軟著陸區(qū)域的地形地貌存在一定程度的不確定性。

　　等到探測器在月面實現(xiàn)軟著陸后，著陸器和巡視器還要進(jìn)行分離，實現(xiàn)互相拍攝。著陸器基本固定在一個位置，巡視器則需要從著陸器上“走”下來，進(jìn)行月面巡視勘察。在月面路徑中，還涉及到“地面遙操作”和“巡視器自主控制”相結(jié)合的技術(shù)手段。

　　除了地面遙操作外，巡視器也可以利用計算機，對圖像進(jìn)行處理、識別障礙，規(guī)劃出相對較近的局部路徑，控制自身的移動。這時候，巡視器就是一個自主移動的機器人了。

　　功能設(shè)計——確保月面生存

　　不同于地球，月球表面晝夜溫差較大，溫度高時有120攝氏度，溫度低時在零下180攝氏度。而且，月球的晝夜交替周期也較長，這給“三姑娘”的月面生存帶來了很大的難度。

　　中國航天科技集團(tuán)著陸器熱控分系統(tǒng)主任設(shè)計師劉自軍用“蓋被子”“生爐子”和“開空調(diào)”等熟知的概念解釋熱控設(shè)計。嫦娥三號上有一個多層隔熱組件，也就是所謂的“被子”，可以雙向隔熱，外部高溫時候熱量不能往里傳，外部寒冷時候里面熱量不能往外漏。

　　寒冷時“三姑娘”還得“生爐子”。“爐子”主要是同位素核源，它能夠持續(xù)放熱。設(shè)計師們還設(shè)計了重力驅(qū)動的兩項流體回路，在需要的時候?qū)崃繉?dǎo)入艙內(nèi)，不需要的時候切斷傳熱途徑。

　　到了月晝時，虹灣溫度迅速升高至90攝氏度，在月球表面，散熱的方式只有熱輻射。設(shè)計師們在探測器上精心設(shè)計了幾個散熱面，可以把設(shè)備發(fā)出的熱量散出去。

　　有了這些手段和方法，“三姑娘”便能很好地保護(hù)自我，在月面上生存下來，從而用攜帶的科學(xué)載荷進(jìn)行工作。目前，著陸器主要攜帶了極紫外相機、月基望遠(yuǎn)鏡、地形地貌相機，還有一些對月面、月塵進(jìn)行測量的工程載荷。巡視器主要攜帶了測月雷達(dá)、全景相機、紅外光譜儀和粒子激發(fā)X射線譜儀，開展相應(yīng)的科學(xué)探測任務(wù)。通過它們，科學(xué)家們將為后續(xù)的月球探測積累數(shù)據(jù)，普通百姓也可以更好地認(rèn)識宇宙。