廣寒宮烙上中國印

毅飛

2013年12月2日1時30分，“嫦娥三號”探測器由長征三號乙運載火箭從西昌衛星發射中心發射，首次實現月球軟著陸和月面巡視勘察。10日成功降軌。15日凌晨，玉兔號月球車小心翼翼地從“嫦娥三號”著陸器上駛出來，緩緩開到布滿塵埃和礫石的月球表面，“廣寒宮”迎來了來自中國的新客人。15日晚，正在月球上開展科學探測工作的“嫦娥三號”著陸器和巡視器進行互成像實驗，“兩器”順利互拍，“嫦娥三號”任務取得圓滿成功。

“嫦娥三號”任務是世界上第130次探測月球，對于中國來說，是連續第三次探月任務取得成功，使中國成為世界上第三個掌握月球軟著陸和月面巡視探測技術的國家。“嫦娥三號”任務的圓滿完成，標志著我國探月工程“繞、落、回”第二步戰略目標的全面實現，在我國航天事業發展中具有重要里程碑意義。讓我們一起看看“玉兔”身上的高科技裝備，一起聽聽探月專家們聊“嫦娥三號”在本次任務中一些鮮為人知的故事。

揭秘“玉兔”身上的高科技裝備

2013年12月14日晚，“嫦娥三號”探測器帶著“玉兔號”月球車翩然落月，讓流傳千年的美麗神話成為現實。接下來，“玉兔”將離開“嫦娥”的懷抱，探索這片神奇的土地。

記者近日從“玉兔號”的研制單位—— 中國航天科技集團公司了解到，為讓它能在月球健康生活、圓滿完成任務，科技人員考慮得細致入微，并給它安裝了各種高科技裝備。

密封圈幫“玉兔”抵御月塵

阿波羅號宇航員登月后回憶說，飛船著陸的一剎那，四周揚起的月塵使他驚呆了。

由于月球上沒有風，且重力只有地球的六分之一，月塵揚起來后會長時間懸浮在半空中。這讓科技人員不禁擔憂：“玉兔”在月面行動，會帶起多大的揚塵？對它的“健康”會造成多大影響？

為此，航天科技集團總環部模擬月塵項目組通過技術攻關，對真空環境下月球車三種花紋車輪的臨界起塵點、轉速與起塵高度的試驗規律、揚塵顆粒的速度矢量、揚塵顆粒的尺寸范圍、揚塵顆粒的運動軌跡和范圍等開展了研究。通過計算修正，首次在國內得出月面條件下三維車輪揚塵參數，為后續探月工程月球車揚塵問題提供了重要參考。

研究發現，這些直徑小于1毫米的月塵，破壞力不容小視。尤其是侵蝕到月球車的活動部件，將造成部件磨損，降低其使用壽命。防塵密封圈因此成為“玉兔”正常工作的必要保障。

該集團公司八院承擔了這項工作，首先面臨的難題是材料。月面環境十分惡劣，且不說高真空、強輻射等特點，光是150攝氏度到零下180攝氏度的溫差，足以將各種普通材料拒之門外。同時，登月產品對輕量化有嚴格要求，這也排除了過于復雜的機械密封手段。

科技人員還是選擇了輕盈的塑料和橡膠，但為其配方大費周章。每次新配比的材料都要經過硬度、磨耗系數等多項測試。經過不斷探索，終于將選材問題圓滿解決。

密封圈的設計也是難點。稍微松一點，塵土會侵入；稍微緊一點，不僅增加活動關節的摩擦阻力，還會加大自身磨損。月球車共有6種不同尺寸的活動關節需要防塵密封，科技人員針對各關節的不同尺寸、不同轉速、不同力矩、不同安裝部位等，細化了對密封圈的技術要求，并分別對其各項性能進行試驗，不斷優化改進。經過2年時間、60多次試驗，他們做出了主副唇雙密封層的創新設計，完成了雙密封圈串聯安裝以及密封唇過盈量優化，可確保防塵密封效果。

乘導軌離開“嫦娥”懷抱

登月后，“玉兔”想要“四處撒歡”，先得從“嫦娥”身上下來。但它位于“嫦娥三號”頂部，怎么下是個問題。

科技人員為它設計了兩根轉移機構懸梯導軌，只要它能精確地將左右車輪分別行駛到兩根導軌上，保持穩定，就能安全到達月面。

但其實，想要保持穩定并不簡單。一是“嫦娥三號”的最終著陸點未必平坦，如果出現傾斜，兩根導軌之間也會存在傾斜角度；即使落點地勢較平，在釋放懸梯導軌的過程中，月球車車輪也可能滑動，萬一滑落，后果不堪設想。

為防止出現這樣的悲劇，航天科技集團八院科技人員對月球車靜態穩定性開展了攻關。他們從車輪的棘爪入手，使其能與導軌懸梯上的棘齒咬合，再引入“DSP+FPGA”架構設計和模塊化電機驅動設計，提高控制精度，確保車輪零轉速保持，就能讓月球車穩穩地停在導軌上。

除了用于安全分離，“玉兔”腳上的棘爪還有助于提高它的通過能力。月面上的地形千奇百怪，不僅有平原，還有起伏的山巒、崎嶇的高地，都覆蓋著幾十厘米至幾十米厚的月壤。月壤松軟、干燥，呈沙土狀，普通車輪很容易下陷或打滑，提高車輪的直徑和寬度，又勢必增加重量。科技人員提出了這種帶有棘爪的篩網輪設計構想，經過掛鉤牽引力、適應性、承載力等測試，效果出人意料。

在保證月球車行駛和越障能力方面，科技人員采用了獨立轉向的構型方案。如果單側某一車輪越過20厘米高的障礙時，月球車能在差動機構和搖臂作用下被動適應月面地形，讓所有車輪均與月面接觸。即使行進間某個輪子被卡住，其他獨立驅動的車輪也能幫助它擺脫困境。

精密“大腦”為“玉兔”指引方向

開展月面探測，“玉兔”必須隨時明確三個問題：“我在哪”“我要去哪”和“我怎么去”，這需要一個精密的“大腦”。我國首套巡視探測GNC系統擔當了此項重任。

該系統由航天科技集團五院耗費十年研發而成，讓“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。

知道自己的位置，是月球車實現能源供應和對地通信的根本。但月面環境具有低重力、弱磁場、真空和輻射等特點，在地球應用成熟的指南針、導航儀等手段都不可用，加之月球車有嚴苛的重量和功耗約束，其定位方式的選擇更是難上加難。科技人員經過長期調研論證，走訪了多家國內機器人和野外車輛研究院所，完成了上千次數學仿真，最終找到了適合月球車的導航定姿定位方案，并確定了導航敏感器指標。

想知道“我要去哪”，要求月球車具備一雙明亮的“眼睛”，讓它能在陌生的月面看清周圍的地形。五院研發了我國首套月球雙目視覺在軌三維恢復系統。該系統擁有兩個鏡頭，能把“看”到的二維地形信息經過處理運算后，變成三維坐標信息。盡管月面被塵土覆蓋，紋理不清；太陽斜照，地面上陰影遍布，但在這雙“眼睛”的幫助下，“玉兔”照樣能準確地辨別障礙。

目的地確定了，怎么去？“玉兔”必須自己尋找一條安全的道路。科技人員找遍了國內外所有能查到的路徑規劃方法，逐一進行適用性研究和仿真驗證，最終提出了自己的路徑規劃方法。找到了路，還要具備準確沿路徑行駛的能力。“玉兔”采用的是六輪搖臂式移動裝置，六個輪子都能獨立驅動，其中四個角輪可以轉向，但除了自身運動能力外，考慮月面松軟月壤下的輪土接觸力學關系，減少滑移等現象。針對這些因素，科技人員設計了十多種運動控制律，經過千余次仿真驗算，最終確定了協調的控制方法，實現了對規劃路徑的準確跟蹤控制。

太陽翼白天遮陽晚上保暖

白天工作完了，“玉兔”在晚上也要“睡覺”，此時，它獨特的太陽電池翼可以發揮“被子”的作用。

由于月夜溫度可低至零下180攝氏度，月球車進入睡眠狀態后，其“腹腔”內的設備如果完全暴露在極寒環境下，必然被損壞。為此，“玉兔”會把太陽電池翼收攏，裹在“肚子”上保暖。

相比目前國內大多數航天器太陽翼的一次性展開方案，“玉兔”這樣能重復展開的太陽翼，給科技人員帶來了更大挑戰。

通過創新設計、反復論證和不斷改進，科技人員最終確定了兩翼展開式設計方案，-Y太陽翼為一次展開并鎖定在-190°位置；+Y太陽翼可重復展開，除實現對日定向功能外，還能在月夜休眠階段收攏至零位狀態保溫，在月午溫度較高期間能豎起展開到90°遮陽，這在其他航天器上從未應用過。

為了保證太陽翼適應月面惡劣環境的考驗，科技人員一方面增加地面試驗的次數，另一方面提高了地面試驗的難度。比如溫度適應方面，地面試驗中做到了零下200攝氏度到165攝氏度，以確保產品的可靠性。

在地球造月宮開展演習

盡管給“玉兔”帶上了大量“戶外裝備”，科技人員仍擔心它難以適應月球環境。怎么辦？干脆造一座“月宮”讓它演練一下。航天科技集團實施的地面驗證試驗，成為這次試驗任務的一大亮點。

要最大程度地營造月面環境，除了低重力環境、超過300攝氏度溫差的高低溫環境、超高真空環境等因素外，光是模擬月壤、月貌就讓科技人員大費周章。

月壤顆粒的中值粒徑大約在40至200微米之間，平均約70微米。科技人員翻閱了大量資料，選取了多種火山灰進行比對，在分析礦物組成、化學成分、相似的顆粒粒度、機械強度、密度和力學性能等物理特性，并綜合價格、運輸條件等外部因素后，選取了東北長白山的火山灰作為模擬月壤。他們把不同中值粒徑的模擬月壤按照試驗需求鋪裝在不同區域，最終建成了月表綜合形貌實驗室。

在這間塵土飛揚、沒有空調的實驗室里，科技人員陪同“玉兔”開展了艱苦的訓練。僅移動分系統極限能力試驗行駛里程就累計超過20公里，爬坡次數、越障次數各達到700多次，一個個數據讓月球車的安全系數不斷提高。有這些充分、扎實的前期工作為基礎，相信“玉兔”一定能在月球上做出精彩表現。

聽探月專家們聊“嫦娥三號”那些事

隨著月面上五星紅旗照片傳回地球，“嫦娥三號”任務已取得圓滿成功。2013年12月17日，中國科協在北京舉辦第35期“科學家與媒體面對面”活動，邀請了探月工程總設計師吳偉仁、“嫦娥三號”任務運載火箭系統副總設計師劉建忠、探測器系統副總設計師張熇以及地面應用系統副總設計師蘇彥，向媒體和公眾講述了本次任務中一些鮮為人知的故事。

200多預案一個都沒用上

航天工程具有高風險、高投入、高技術的“三高”特點，通常來說，每次任務所用的新技術、新產品不會超過30%，以求風險可控。然而嫦娥三號任務中的新設備、新技術卻達到80%，信心從何而來？

吳偉仁說，本次任務中，月球車、著陸器的設計，以及月面軟著陸的經驗，我國基本上都是空白，必須全部從頭開始。這樣風險很大，要精心設計、計算、制造，確保質量才可能成功。

他表示，“嫦娥三號”從發射、軟著陸，到兩器分離、互拍，每一步都完成得完美、精準，甚至比預想的還順利。

其實，科研人員在按照最好結果努力的同時，也作了最壞的準備。吳偉仁介紹，本次任務中科研人員準備了200多個故障預案，包括每出現一個故障該采取什么措施，轉移到什么程度，都準備得非常精細。“結果到現在，這些預案一個都沒用上。”他說。

“玉兔”前面的坑躲過了嗎

15日凌晨4點35分，“嫦娥三號”著陸器伸出雙臂，將“玉兔號”月球車穩穩地放在月面，讓人們振奮不已。但直播畫面中，“玉兔”右前方的一個大坑，卻令不少人擔憂——“在接下來的工作中，‘玉兔能躲過這個坑么？”

據介紹，這個坑直徑約20米，深度大概2至3米。不過張熇給大家送上了定心丸。“這個坑離著陸器還有十幾米的距離，巡視器也有自己的導航路徑規劃，可以繞開這個坑走，不會受影響。”她說。

“嫦娥三號”著陸后，張熇看到監視相機拍的圖像，先是覺得非常幸運，隨即感覺很成功。她說，照片中可以看到這個坑，還有一些石塊，但著陸器落腳的地方非常平坦，說明我們自己設計的導航很好地實現了自主避障功能。

“黑色720秒”說法并不準確

嫦娥三號任務中，實施月面軟著陸的過程約12分鐘，最為驚心動魄，被許多人稱為“黑色720秒”。張熇表示，這一說法并不準確。

“通常我們把航天器和地面完全無法通訊聯系的過程叫做‘黑色。”她說，“嫦娥三號”軟著陸期間，所有的遙測數據都能傳回地面，通信并沒有斷開。

然而地面對這一過程卻很難干預，只能由“嫦娥三號”自主完成。張熇說，“嫦娥三號”下降的速度非常快，要實時判斷下降速度、高度、月表地形等，并隨時作出調整。如果將數據傳回地面，地面完成判斷后再發出指令，這個過程至少需要幾秒鐘，很難實現及時準確的控制。

8臺科學設備已有6臺開機

盡管工程目標已實現，但“嫦娥”和“玉兔”還將開展一系列科學探測。

蘇彥表示，“嫦娥三號”的科學探測任務可以用6個字來總結：巡天、觀地、測月，這是人類史上第一次利用著陸器就位和巡視器巡視相結合的探測。根據著陸器的靜止特點配備了月基光學望遠鏡、極紫外相機、降落相機和地形地貌相機；結合巡視器要運動的特點配備了測月雷達、粒子激發X射線譜儀、紅外成像光譜儀和全景相機，共計8臺科學儀器。

她說，“巡天”是利用月基光學望遠鏡在月球上開展天文觀測，由于月球沒有大氣干擾，觀測時間更長，看得更清楚；“觀地”是用極紫外相機對地球等離子體層進行觀測，實時記錄陽光、磁層、大氣層的相互作用，為空間科學研究和自然災害預報提供科學的基礎數據。以前在地球上只能觀測到局部，在月球則具有整體觀測優勢。

“測月”則是指利用粒子激發X射線譜儀、紅外成像光譜議測量月球上的礦物和成分，借助測月雷達局部區域進行精密剖析。

蘇彥介紹，8臺設備中目前已有6臺開機，包括降落相機、地形地貌相機、月基光學望遠鏡、測月雷達、全景相機和極紫外相機。“希望這些設備能很快給我們帶來更多驚喜，讓我們對月球有更深的了解。”她說。

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月球上有哪些中國人名與地名？

月球，這個地球的近鄰上有沒有留下中國人的名字呢？有！

從望遠鏡被發明開始，人類陸續續對月球上的一些地形單元進行了命名。從1935年開始，國際月面地名命名委員會相繼對這些地名進行了整理和確認。2010年，我國利用嫦娥工程影像數據首次申報“月球地理實體命名”，獲得國際天文學聯合會批準。月面上的三個撞擊坑用我國著名科學家蔡倫、畢昇和張鈺哲的名字來命名。

根據國防科工局的資料統計，月球上共計有14個以中國人名和地名命名的19個月球地理實體，包括12個撞擊坑、2個月溪和5個衛星坑。

這14個中國人名和地名包括：石申、蔡倫、張衡、祖沖之、李白、畢昇、郭守敬、萬戶、高平子、張鈺哲、神話傳說中嫦娥和瓷都景德鎮。此外，1976年和1985年有兩條月球正面的月溪被外國人分別用兩位中國婦女的名字命名。由于文獻資料的缺乏，至今無法確認這兩位發音為“Wan-Yu”和“Sung-Me”的中國女性是誰。