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    周日特别策划

    12月14日晚，嫦娥三号探测器带着“玉兔号”月球车翩然落月，让流传千年的美丽神话成为现实。

    接下来，“玉兔”将离开“嫦娥”的怀抱，探索这片神奇的土地。

    记者近日从“玉兔号”的研制单位——中国航天科技集团公司了解到，为让它能在月球健康生活、圆满完成任务，科技人员考虑得细致入微，并给它配备了各种高科技装备。

    密封圈帮“玉兔”抵御月尘

    阿波罗号宇航员登月后回忆说，飞船着陆的一刹那，四周扬起的月尘使他惊呆了。

    由于月球上没有风，且重力只有地球的六分之一，月尘扬起来后会长时间悬浮在半空中。这让科技人员不禁担忧：“玉兔”在月面行动，会带起多大的扬尘？对它的“健康”会造成多大影响？

    为此，航天科技集团总环部模拟月尘项目组通过技术攻关，对真空环境下月球车三种花纹车轮的临界起尘点、转速与起尘高度的试验规律、扬尘颗粒的速度矢量、扬尘颗粒的尺寸范围、扬尘颗粒的运动轨迹和范围等开展了研究。通过计算修正，首次在国内得出月面条件下三维车轮扬尘参数，为后续探月工程月球车扬尘问题提供了重要参考。

    研究发现，这些直径小于1毫米的月尘，破坏力不容小视。尤其是侵蚀到月球车的活动部件，将造成部件的异常磨损，降低其使用寿命。防尘密封圈因此成为“玉兔”正常工作的必要保障。

    该集团公司八院承担了这项工作，首先面临的难题是材料。月面环境十分恶劣，且不说高真空、强辐射等特点，光是150摄氏度到零下180摄氏度的温差，足以将各种普通材料拒之门外。同时，登月产品对轻量化有严格要求，这也排除了过于复杂的机械密封手段。

    科技人员还是选择了轻盈的塑料和橡胶，但为其配方大费周章。每次新配比的材料都要经过硬度、磨耗系数等多项测试。经过不断探索，终于将选材问题圆满解决。

    密封圈的设计也是难点。稍微松一点，尘土会侵入；稍微紧一点，不仅增加活动关节的摩擦阻力，还会加大自身磨损。月球车共有6种不同尺寸的活动关节需要防尘密封，科技人员针对各关节的不同尺寸、不同转速、不同力矩、不同安装部位等，细化了对密封圈的技术要求，并分别对其各项性能进行试验，不断优化改进。经过两年时间、60多次试验，他们做出了主副唇双密封层的创新设计，完成了双密封圈串联安装以及密封唇过盈量优化，可确保防尘密封效果。

    乘导轨离开“嫦娥”怀抱

    登月后，“玉兔”想要“四处撒欢”，先得从“嫦娥”身上下来。但它位于嫦娥三号顶部，怎么下是个问题。

    科技人员为它设计了两根转移机构悬梯导轨，只要它能精确地将左右车轮分别行驶到两根导轨上，保持稳定，就能安全到达月面。

    但其实，想要保持稳定并不简单。一是嫦娥三号的最终着陆点未必平坦，如果出现倾斜，两根导轨之间也会存在倾斜角度；即使落点地势较平，在释放悬梯导轨的过程中，月球车车轮也可能滑动，万一滑落，后果不堪设想。

    为防止出现这样的悲剧，航天科技集团八院科技人员对月球车静态稳定性开展了攻关。他们从车轮的棘爪入手，使其能与导轨悬梯上的棘齿咬合，再引入“DSP+FPGA”架构设计和模块化电机驱动设计，提高控制精度，确保车轮零转速保持，就能让月球车稳稳地停在导轨上。

    除了用于安全分离，“玉兔”脚上的棘爪还有助于提高它的通过能力。月面上的地形千奇百怪，不仅有平原，还有起伏的山峦、崎岖的高地，都覆盖着几十厘米至几十米厚的月壤。月壤松软、干燥，呈沙土状，普通车轮很容易下陷或打滑，提高车轮的直径和宽度，又势必增加重量。科技人员提出了这种带有棘爪的筛网轮设计构想，经过挂钩牵引力、适应性、承载力等测试，效果出人意料。

    在保证月球车行驶和越障能力方面，科技人员采用了独立转向的构型方案。如果单侧某一车轮越过20厘米高的障碍时，月球车能在差动机构和摇臂作用下被动适应月面地形，让所有车轮均与月面接触。即使行进间某个轮子被卡住，其他独立驱动的车轮也能帮助它摆脱困境。

    精密“大脑”为“玉兔”指引方向

    开展月面探测，“玉兔”必须随时掌握三个问题：“我在哪？”“我要去哪？”和“我怎么去？”这需要一个精密的“大脑”。我国首套巡视探测GNC系统担当了此项重任。

    该系统由航天科技集团五院耗费十年研发而成，让“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。

    知道自己的位置，这是月球车实现能源供应和对地通讯的根本。但月面环境具有低重力、弱磁场、真空和辐射等特点，在地球应用成熟的指南针、导航仪等手段都不可用，加之月球车有严苛的重量和功耗约束，其定位方式的选择更是难上加难。科技人员经过长期调研论证，走访了多家国内机器人和野外车辆研究院所，完成了上千次数学仿真，最终找到了适合月球车的导航定姿定位方案，并确定了导航敏感器指标。

    想知道“我要去哪”，要求月球车具备一双明亮的“眼睛”，让它能在陌生的月面看清周围的地形。五院研发了我国首套月球双目视觉在轨三维恢复系统。该系统拥有两个镜头，能把“看”到的二维地形信息经过处理运算后，变成三维坐标信息。尽管月面被尘土覆盖，纹理不清；太阳斜照，地面上阴影遍布，但在这双“眼睛”的帮助下，“玉兔”照样能准确地辨别障碍。

    目的地确定了，怎么去？“玉兔”必须自己寻找一条安全的道路。科技人员找遍了国内外所有能查到的路径规划方法，逐一进行适用性研究和仿真验证，最终提出了自己的路径规划方法。但找到了路，还要具备准确沿路径行驶的能力。“玉兔”采用的是六轮摇臂式移动装置，六个轮子都能独立驱动，其中四个角轮可以转向，但除了自身运动能力外，考虑月面松软月壤下的轮土接触力学关系，减少滑移等现象。针对这些因素，科技人员设计了十多种运动控制律，经过千余次仿真验算，最终确定了协调的控制方法，实现了对规划路径的准确跟踪控制。

    太阳翼白天遮阳晚上保暖

    白天工作完了，“玉兔”在晚上也要“睡觉”，此时，它独特的太阳电池翼可以发挥“被子”的作用。

    由于月夜温度可低至零下180摄氏度，月球车进入睡眠状态后，其“腹腔”内的设备如果完全暴露在极寒环境下，必然被损坏。为此，“玉兔”会把太阳电池翼收拢，裹在“肚子”上保暖。

    相比目前国内大多数航天器太阳翼的一次性展开方案，“玉兔”这样能重复展开的太阳翼，给科技人员带来了更大挑战。

    通过创新设计、反复论证和不断改进，科技人员最终确定了两翼展开式设计方案，-Y太阳翼为一次展开并锁定在-190°位置；+Y太阳翼可重复展开，除实现对日定向功能外，还能在月夜休眠阶段收拢至零位状态保温、在月午温度较高期间能竖起展开到90°遮阳，这在其他航天器上从未应用过。

    为了保证太阳翼适应月面恶劣环境的考验，科技人员一方面增加地面试验的次数，另一方面还提高了地面试验的难度。比如温度适应方面，地面试验中做到了零下200摄氏度到165摄氏度，以确保产品的可靠性。

    在地球造月宫开展演习

    尽管给“玉兔”带上了大量“户外装备”，科技人员仍担心它难以适应月球环境。怎么办？干脆造一座“月宫”让它演练一下。航天科技集团实施的地面验证试验，成为这次试验任务的一大亮点。

    要最大程度地营造月面环境，除了低重力环境、超过300摄氏度温差的高低温环境、超高真空环境等因素外，光是模拟月壤、月貌就让科技人员大费周章。

    月壤颗粒的中值粒径大约在40至200微米之间，平均约70微米。科技人员翻阅了大量资料，选取了多种火山灰进行比对，在分析矿物组成、化学成分、相似的颗粒粒度、机械强度、密度和力学性能等物理特性，并综合价格、运输条件等外部因素后，选取了东北长白山的火山灰作为模拟月壤。他们把不同中值粒径的模拟月壤按照试验需求铺装在不同区域，最终建成了月表综合形貌实验室。

    在这间尘土飞扬、没有空调的实验室里，科技人员陪同“玉兔”开展了艰苦的训练。仅移动分系统极限能力试验行驶里程就累计超过20公里，爬坡次数、越障次数各达到700多次，一个个数据让月球车的安全系数不断提高。有这些充分、扎实的前期工作为基础，相信“玉兔”一定能在月球上做出精彩表现。