解密嫦娥三号探测器 高新技术层出不穷
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  随着嫦娥三号任务的开启,人们的目光又一次聚焦中国航天。作为我国首个在地球以外天体实施软着陆和月面巡视勘察的航天器,嫦娥三号探测器由哪几部分组成?与其他卫星相比有什么特点?技术创新点有哪些?面临的风险是什么?

  重点实现三大目标

  从立项到发射,嫦娥三号探测器经历了5年9个月的艰难奋战。

  2008年3月,探月工程二期正式立项,嫦娥三号探测器系统全面启动研制工作。相继经过了方案论证、初样和正样研制阶段,并于2013年9月初,奔赴西昌卫星发射中心,开展为期近三个月的发射场工作。2013年12月2日,万众瞩目的嫦娥三号一飞冲天,发射取得圆满成功。

  嫦娥三号探测器系统总设计师孙泽洲介绍说,嫦娥三号是我国首个在地球以外天体实施软着陆和月面巡视勘察的航天器,将实现探月工程二期落的工程目标,创造了我国航天史上的又一个第一。

  与嫦娥一号、二号相比,嫦娥三号探测器主要包括巡视器和着陆器两大部分巡视器俗称月球车,由9个分系统组成;而着陆器是为了实现月面软着陆专门量身定做的新型航天平台,有11个分系统。

  嫦娥三号探测器由运载火箭发射升空后,经发射段、地月转移段、环月段和动力下降段等过程,飞行大约14天的时间,将以软着陆的方式降落在月球虹湾地区;之后,着陆器释放巡视器;两器分离后,各自独立开展月面探测工作。

  嫦娥三号在飞行任务期间,将重点实现三大工程目标,一是突破月球软着陆、月面巡视勘察等关键技术,提升航天技术水平;二是研制月球软着陆探测器和巡视探测器,建立地面深空站,具备月球软着陆探测的基本能力;三是建立月球探测航天工程基本体系。此外,嫦娥三号还将开展月表形貌和地质构造调查、月表物质成分及其可利用资源的调查、日-地-月空间环境探测与月基天文观测等四类科学探测,对我国后续探月工作发挥重要作用,将有效促进深空探测领域的发展。

  研制艰辛 风险难控

  嫦娥三号探测器作为我国探月工程二期核心任务,技术跨度大,设计约束多。研制过程之艰辛,令很多参与任务的设计师刻骨铭心。

  嫦娥三号探测器系统总指挥张廷新介绍说,嫦娥三号探测器具有四新两多两难一紧的鲜明特点。其中,四新是指面临月面温度、月尘、月壤、月面地形地貌等新环境;鉴定设备占80%以上的全新研制平台;为新科学探测配备的全新载荷设备以及工作关系耦合度高、产品集成度高的新模式。

  两多主要是以着陆导航敏感器、热控两相流体回路、巡视器月面移动、巡视器遥操作等为代表的新技术多,且技术跨度大;参与研制、设计及试验验证的协作配套单位多。

  两难体现在地面验证难,特别是由软着陆特点决定的整器减重难。

  一紧则体现在进度紧,从立项到发射仅仅5年9个月,需完成从方案论证到初样、正样、发射场等各阶段研制工作,以及相关的数十类产品攻关、几百台/套单机、鉴定件等的研制生产,多次大型专项试验验证,研制进度十分紧张。

  作为我国首个在地球以外天体实施软着陆的航天器,与以往的任何卫星任务相比,影响嫦娥三号探测器任务成败的最大风险点在哪里?

  毫无疑问,是月球以及它所带来的月面环境的不确定性,嫦娥三号着陆器副总师张熇介绍说,从已掌握的资料看,月球表面覆盖着一层由月面岩石碎屑、粉末、角砾等组成的月壤,而这层土壤又非常松软,且崎岖不平;同时,落月时具体的月面地形地貌也不能完全确定,这些为安全着陆带来不可避免的风险。而当着陆器撞击在月球表面上时,发动机的喷射以及着陆过程的冲击都将扬起尘埃,这些激扬的月尘不仅影响成败,更会对着陆器造成一定的危害。

  此外,嫦娥三号探测器采用了许多新技术,产品子样少,产品成熟度低;而飞行程序又非常复杂,特别是近月制动、动力下降过程,对飞行时序的要求很高,需要探测器飞行控制严格按时序执行,否则将影响主任务的完成。

  面对诸多风险,嫦娥三号研制团队早在初样阶段,就以风险识别充分、鉴定验证充分、试验验证充分为重点,确保技术见底;转入正样后,又提出以把握关键环节、全面量化控制、精细操作实施为重点,确保产品可靠、风险可控。为了确保在轨飞行过程中能及时准确地定位故障,并在最短的时间内完成故障应对处理,研制团队从关键飞行事件和公用服务系统两方面对故障模式进行梳理,着陆器制定140余项预案,巡视器制定70多项预案,明确在轨故障的判定准则和处置措施,为探测器飞控实施提供有力保障。

  六大创新迎接挑战

  面对技术新、难度大、系统复杂等风险带来的巨大考验和一道道难关,嫦娥三号研制团队先后攻克了着陆减速、着陆段的自主导航控制、着陆冲击的缓冲、月面热控保障、月面移动、月面巡视过程的自主导航与遥操作控制等六大方面的关键技术。

  变推力发动机破解着陆减速难题。发射升空后,嫦娥三号向着月球一路飞奔,直到设计师精心选择的动力下降点。此时,如果继续飞速前进,嫦娥三号在着陆时就可能一头撞在月球上,造成难以想象的后果。因此,必须让她慢下来。

  众所周知,月球表面无大气。所以,嫦娥三号无法利用气动减速的方法着陆,只能靠自身推进系统减小速度,在此过程中探测器还要进行姿态的精确调整,并逐步减速以便在预定区域安全着陆。为了保证着陆过程可控,研制团队经过反复论证,提出变推力推进系统的设计方案,研制出推力可调的7500N变推力发动机,经过多次点火试车和相关试验验证,破解了着陆减速的难题。

  GNC系统新技术助力着陆段自主导航控制。据着陆器GNC(制导导航与控制)系统主任设计师介绍,探测器动力下降过程是一个时间较短、速度变化很大的过程,无法依靠地面实时控制。对此,GNC系统设计了专门的敏感器,进行对月测速、测距和地形识别,确保了探测器在着陆段自主制导、导航与控制。

  着陆缓冲系统为软着陆提供牢固支撑。当探测器着陆在月面时,着陆器撞击月面会形成较大的冲击,巨大的冲击力不仅可能造成探测器出现翻倒的可能,而且会激扬起月尘,对着陆器造成一定危害并影响任务成败,同时由于月球表面覆盖着一层松软且崎岖不平的月壤,这些都给着陆带来了困难。对此,研制团队充分考虑了月壤物理力学特性对着陆冲击、稳定性的影响以及月尘的理化特性等,采用特殊的材料、设计和工艺,研制出全新的着陆缓冲系统,解决了上述难题,确保探测器实施软着陆过程中,在一定姿态范围内不翻倒、不陷落,并为探测器工作提供牢固支撑。

  全球首创热控技术确保月面生存。月球表面光照条件变化大,昼夜温差超过300℃,白昼时温度高达120℃,黑夜时温度急剧下降到-180℃。在长达地球14天的昼、夜里,探测器面临着月昼高温下的热排散问题和月夜没有太阳能可利用情况下如何保证温度环境的问题。为了能够应付极端温度条件下的恶劣环境,嫦娥三号利用同位素热源,并采用全球首创的热控两相流体回路以及此前从未在星上用过的可变热导热管,攻克月面生存的难题。

  巡视器移动设计与试验解决月面移动难题。月面覆盖着厚度不等的月壤层,并存在大小不等的月坑和岩石,其物理力学特性和月表地形都与巡视器移动性能直接相关,如何选择移动系统构形参数,开展地面移动性能试验,在月面环境下保证正常工作,都是巡视器总体设计必须破解的问题。对此,巡视器在总体设计之初,就选取了六轮式、摇臂悬架方案,并经特殊设计和有关地面移动性能试验、内外场试验等,具备前进、后退、原地转向以及爬坡、越障能力,解决月面移动的难题。

  月面巡视自主导航与遥操作控制为巡视勘察扫清障碍。为了能够在非结构复杂月面环境中实现远距离行驶,安全到达指定位置,并保障自身的安全和稳定工作,巡视器通过自主导航控制解决月面环境感知、障碍识别、局部路径规划及多轮运动协调控制的难题。

  此外,由于巡视器月面运行过程是一个器地交互、地面持续支持的过程,与以往航天器在轨测控工作模式有着明显的不同。设计一种与巡视任务相匹配的在轨运行操作新模式是必须解决的难题。对此,研制团队经过无数次计算、论证、试验,终于开发出满足巡视任务的地面任务支持与遥操作系统,为巡视器顺利开展月面巡视勘察任务扫清障碍。

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