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嫦娥三号今晚9-40落月 多项自动化新技术护航_0

2019-05-28 10:48栏目:观点
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  预计在北京时间今晚9时40分,嫦娥三号将结束绕月环飞,实现令人期待的月面软着陆。随后,嫦娥、玉兔将沉睡至12月15日,在两器分离后,玉兔将开始它独自的勘探之旅。

  嫦娥三号探测器将从距月面15千米的近月点以抛物线的路线开始动力下降,相对速度从每秒1.7公里逐渐降为零,且历经两次悬停。整个着陆过程约为720秒,即12分钟。这12分钟被称为整个嫦娥三号任务中最惊心动魄的环节。因为在12分钟内人工测控无法跟上,探测器只能按照预定程序,完全依靠自主导航控制,完成减速、降低高度、确定着陆点、软着陆等一系列关键动作。

  一旦嫦娥三号成功实现月球表面软着陆,我国将成为美国、前苏联后,第三个在月球着陆的国家。那么作为任务的重头戏,嫦娥三号到底携带了哪些制胜法宝,又将如何闯关呢?

嫦娥三号落月过程图示

  惊心动魄的720秒

  从15公里高度到安全降落到月球表面,嫦娥三号完全要依靠自动控制,完成降低高度、测距、测速、确定合适的着陆地,那时将面临新的挑战,被称为最为惊心动魄的一个阶段动力下降段。

  这一阶段地面测控基本已经无能为力,完成这一阶段需要约12分钟。探测器系统副总指挥谭梅把这段时间称为黑色750秒。

  720秒内无法人工干预,探测器落月靠的是基于对月测速、测距和地形识别的GNC系统。GNC是制导、导航、控制三个词的缩写。导航可以让探测器知道自己所在的位置,制导可以规划路径,控制就是根据探测器的位置,按照目标完成着陆任务。GNC具有感知功能,可以看到月面的情况,测量到落月过程中探测器的姿态、速度、与月面的距离等,同时把各种信息汇集到中心计算机进行处理,再根据事先设定好的落月要求,对探测器进行控制。通过看见、测量、计算处理、控制执行,来指挥探测器落月。

  据悉,GNC团队研制了激光三维成像敏感器,用来代替人眼,在距离月面较近时获得待着陆区域精确的三维高程图信息,可精确分辨月面上比较小的障碍。同时,在距离月面较远时还增加了一个光学成像敏感器,用于在较大范围内识别较大尺寸的障碍。这样一套远近结合、粗精并用的接力避障策略,大大提高了着陆的安全性。

  29台引擎测试6万秒

  嫦娥三号探测器上一共有29台发动机,其中,7500牛变推力发动机直接决定着嫦娥三号奔月与落月的成败,且没有备份。月球表面没有空气,无法使用降落伞等空气摩擦产生阻力的方式对探测器进行减速。因此减速的实现只能依靠变推力发动机。

  7500牛变推力发动机是为嫦娥三号任务专门研制的。它的难度有多大?据嫦娥三号推进系统主任设计师金广明介绍,一般卫星的发动机最大推力只有490牛(发动机推力单位),神舟系列载人飞船发动机的推力也只有2500牛,由此看出7500牛发动机绝对是个大家伙。它还能根据预定设计,进行变推力调节,这要求发动机必须灵活地调节动力,让探测器平稳地落到月面。在拥有巨大推力的同时,还要受重量、结构尺寸等条件限制,工作时产生的大量散热还不能影响探测器上仪器设备的正常工作,其设计难度可想而知。负责发动机研制的航天集团六院院长谭永华告诉记者,该发动机的相关试验进行了100多次,仅点火试验就累计达到6万多秒,就是为了确保它在轨工作的1200秒不出任何问题。

  落月软着陆的考验

  探测器降落月面时,来自月面的巨大冲击力将是其安全着陆的最大威胁。美国和前苏联探测器的软着陆方式主要有三种:气囊弹跳式、着陆腿式和空中吊车式。而嫦娥三号靠的是四条长腿和四只大脚。

  软着陆是相对硬着陆而言的。所谓硬着陆,是指航天器在降落时不减速,直接冲撞月球表面,会对航天器造成毁灭性的冲击。北京大学地球与空间科学学院焦维新(微博)(微博)教授告诉记者,硬着陆是人类了解月球的初级阶段,也分为不受控撞月和受控撞月两种类型。无论哪种,都只能在撞月之前实现近距离观测月球的目的。如果要更进一步探测月球,航天器不能总一头撞向月球,需要航天器能够完好地抵达月面。软着陆,就是在月球表面没有空气、无法使用降落伞的前提下,通过减速装置,使人造航天器减速安全地抵达月面,并平稳着陆。

  嫦娥三号探测器安装了四条着陆腿。科研人员在腿骨内部增加了塑性变形吸能材料,在着陆冲击时能起到很好的吸能和缓冲作用。腿部末端还安装了脸盆大小的圆形大脚,可以保证着陆器在复杂的月球表面站稳脚跟。其研制人员告诉记者,大量试验表明,即使探测器落在石块上,或者一边腿在石头上,一边在坑里,只要倾斜度不超过十几度,探测器就不会翻倒。在地面试验场中,嫦娥三号着陆器从初样到正样进行了近百次模拟试验。从水平面到十几度的坡面,着陆器的修长美腿均表现优异。

  人造航天器的首次成功硬着陆和软着陆都是由前苏联实现的。1959年9月12日,前苏联的月球2号探测器发射升空,在月球表面硬着陆,成为到达月球的第一位使者,但它的无线电通信装置在撞击月球后就停止了工作。1966年2月3日,前苏联发射的月球9号在月面安全落月,开创了人类探测器零距离考察月球的新阶段。

  认路选路辨路

  据了解,落月指的是着陆探测器自距离月面15千米高度的近月点开始,至降落到月面为止的全过程,这段过程需要制导、导航与控制(GNC分系统)三方面的完美结合,是区别于探月一期和以往卫星任务的根本。

  由于月球周围几乎没有大气,因此在落月过程中不能依靠降落伞,只能依靠发动机反推,以达到制动减速的目的。专家指出,由于地月距离远,测控延迟大,地面难以直接干预落月过程,只能依靠着陆器自主执行,这还是有相当难度的。

  落月过程需要GNC创造性地依次解决三大难题:认路选路辨路。具体说来,认路就是给着陆器自身定位,即依靠着陆器自身携带的设备来确定其相对于月面的位置姿态;选路就是要事先规划好路径免走冤枉路,也就是说设计一条着陆轨迹,在满足姿态、光照等约束条件下尽量减少燃料的消耗;辨路就是要分辨并躲避路上的坑洼之处,与国外落月过程相比,即在没有宇航员的情况下自主分辨月面障碍并主动避开障碍,保证着陆器安全降落。

  关于认路,着陆器面临的是一个几乎未知的目标月球。因此,着陆器需要有自问自答的能力,要求着陆器对被测的月面目标有去粗取精功能。为此,五院着陆器GNC团队全新研制了激光测距敏感器和微波测距测速敏感器两种不同谱段的相对导航敏感器,以适应不同飞行高度和飞行速度下对相对位置和速度测量精度的要求。多种测量信息融合导航算法也为落月过程的精确相对导航提供了保证。

  玉兔号将永留月球

  嫦娥三号安全降落以后,玉兔号月球车将驶离着陆器,在月面进行3个月的科学勘测,着陆器则在着陆地点进行原地探测。自此,这部嫦娥奔月的主角将正式开启月表探秘之路。

  在执行任务期间,玉兔号将在月球表面自主行走巡视探测,对月表进行三维光学成像、红外光谱分析。此外,还将开展月壤厚度和结构科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析等。

  月球车上除了各种照相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪外,还在车底安装了雷达,将探测月球地表以下100米左右深度的地下结构。有专家指出,这是前人从未做过的,将对月球次表层探测作出贡献。

  中国绕月探测工程首任首席科学家欧阳自远介绍,月球车能完全自主导航,在月亮上可以根据照相机拍到的四周情况,自己决定该走哪条路;可以自主避障,前面有大石头挡住了,知道怎么避开障碍;还可以自动上坡下坡,能走它就走,走不过去就绕着走。

  据了解,着陆器的设计寿命是一年,月球车则只有3个月。它们将在完成任务后永远留在月球。