新華社北京12月1日電(記者 王敏)嫦娥三號探測器,是我國第一個“有有巢氏房屋腿”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”長什麼樣,與此前的嫦娥一號、二號相比有什麼特點,是如何設計出來的?記者採訪了中國航天科技集團的有關專家。
  構型設計——四商務中心腿六輪
  據介紹,“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固態硬碟叫衛星而叫器,是我國第一個“有腿”的航天器。
  航天科技集團主任設計師楊建中介紹,這樣的組合構型,是由其任務特點決定的。嫦娥三號任務主要有兩個,一是辦公室出租實現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。將任務分解給兩個探測器,有助於加快研製進度。
  落月之前,巡視器作為一個載房屋二胎荷被安裝在著陸器上,本身並不工作。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。到月面後,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。
  著陸器包含11個分系統,其中最有特色的當屬著陸緩衝分系統,又集中體現在四條“中國腿”的外形上。據瞭解,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。每種方案都有優缺點。就嫦娥三號軟著陸任務來講,氣囊式不能滿足重量要求,吊車式又比較複雜,腿式能滿足任務需要,保證著陸的穩定性。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,其中最有特色的當屬移動分系統。從外形上看,就是巡視器的6個輪子。
  中國航天科技集團巡視器副總設計師賈陽介紹,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,但控制起來比較複雜,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,由於探測器的重量限制,嫦娥三號必須“瘦身”,進行集成化、小型化設計,還必須保證系統的可靠性。只有這樣,才能保證它是一個健壯的探測器。
  路徑設計——前所未有
  此前,嫦娥一號和二號對到達月球的路徑已經做了先期的成功探索。由於任務需要,嫦娥三號的路徑設計還要在此前基礎上更進一層,且難度和風險大大增強。它要在近月點15公里處進行動力下降,接著實現月面軟著陸,然後再進行月面巡視勘察。
  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,對月面進行拍照,避開障礙物,尋找著陸點。
  對於地面工程人員來說,這一過程尚屬首次,存在兩大風險。一是關鍵設備都是新研製的,包括GNC系統(制導、導航與控制系統)和我國首台全新的7500牛變推力空間發動機。二是軟著陸區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軟著陸後,著陸器和巡視器還要進行分離,實現互相拍攝。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”相結合的技術手段。
  除了地面遙操作外,巡視器也可以利用計算機,對圖像進行處理、識別障礙,規划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。
  功能設計——確保月面生存
  不同於地球,月球錶面晝夜溫差較大,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。
  中國航天科技集團著陸器熱控分系統主任設計師劉自軍用“蓋被子”“生爐子”和“開空調”等熟知的概念解釋熱控設計。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裡傳,外部寒冷時候裡面熱量不能往外漏。
  寒冷時“三姑娘”還得“生爐子”。“爐子”主要是同位素核源,它能夠持續放熱。設計師們還設計了重力驅動的兩項流體迴路,在需要的時候將熱量導入艙內,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,在月球錶面,散熱的方式只有熱輻射。設計師們在探測器上精心設計了幾個散熱面,可以把設備發出的熱量散出去。
  有了這些手段和方法,“三姑娘”便能很好地保護自我,在月面上生存下來,從而用攜帶的科學載荷進行工作。目前,著陸器主要攜帶了極紫外相機、月基望遠鏡、地形地貌相機,還有一些對月面、月塵進行測量的工程載荷。巡視器主要攜帶了測月雷達、全景相機、紅外光譜儀和粒子激發X射線譜儀,開展相應的科學探測任務。通過它們,科學家們將為後續的月球探測積累數據,普通百姓也可以更好地認識宇宙。  (原標題:素描“三姑娘”——嫦娥三號是如何設計出來的?)
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