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专家解读嫦娥三号设计重量限制迫使机器瘦身

2019/05/14 来源:南京信息港

导读

专家解读嫦娥三号设计:重量限制迫使机器瘦身|嫦娥三号|探测器|设计_新浪新华北京12月1日电(王敏)嫦娥三号探测器,是我国个“有腿”

专家解读嫦娥三号设计:重量限制迫使机器瘦身|嫦娥三号|探测器|设计_新浪

新华北京12月1日电(王敏)嫦娥三号探测器,是我国个“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。“三姑娘”长什么样,与此前的嫦娥一号、二号相比有什么特点,是如何设计出来的?采访了中国航天科技集团的有关专家。

构型设计—— 四腿六轮

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,是我国个“有腿”的航天器。

航天科技集团主任设计师杨建中介绍,这样的组合构型,是由其任务特点决定的。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。

巡视器包含8个分系统,其中有特色的当属移动分系统。从外形上看,就是巡视器的6个轮子。

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。

路径设计——前所未有

此前,嫦娥一号和二号对到达月球的路径已经做了先期的成功探索。由于任务需要,嫦娥三号的路径设计还要在此前基础上更进一层,且难度和风险大大增强。它要在近月点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。

对于地面工程人员来说,这一过程尚属首次,存在两大风险。一是关键设备都是新研制的,包括GNC系统(制导、导航与控制系统)和我国首台全新的7500牛变推力空间发动机。二是软着陆区域的地形地貌存在一定程度的不确定性。

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。

功能设计——确保月面生存

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。设计师们还设计了重力驱动的两项流体回路,在需要的时候将热量导入舱内,不需要的时候切断传热途径。

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。目前,着陆器主要携带了极紫外相机、月基望远镜、地形地貌相机,还有一些对月面、月尘进行测量的工程载荷。巡视器主要携带了测月雷达、全景相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪,开展相应的科学探测任务。通过它们,科学家们将为后续的月球探测积累数据,普通百姓也可以更好地认识宇宙。

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