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嫦娥四号探测器的“上海智慧”

2018-12-9 04:46:39

来源:解放日报 作者:刘锟 选稿:吴春伟

  

  嫦娥四号月面巡视探测器。(资料照片)

  这将是我国探月工程的又一里程碑。昨天凌晨,长征三号乙运载火箭成功将嫦娥四号探测器送入地月转移轨道,踏上了人类首次月球背面着陆探测的旅程。

  作为中国航天事业的一支重要力量,上海航天自然不会缺席这次探月之行。嫦娥四号任务中,上海航天技术研究院承担了嫦娥四号着陆器、巡视器五个半分系统的研制任务,包括巡视器移动分系统、结构与机构分系统、测控数传分系统、电源分系统、综合电子分系统移动/机构控制与驱动组件,以及着陆器一次电源分系统。在这次漫漫征途中,嫦娥四号将要经受住哪些考验?

  着陆环境更恶劣

  嫦娥四号首选着陆区为月球南极—艾特肯盆地。“与嫦娥三号的虹湾着陆区相比,艾特肯盆地的地形比较崎岖,撞击坑大且分布密集,对探测器着陆区的选择和着陆精度提出更高要求。”嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花说,嫦娥三号的着陆范围是90×140公里,这次嫦娥四号额定着陆区大概是30×50公里左右。“由于着陆区在月球背面,使得着陆器和巡视器无法同地球直接通信,必须用中继星中继的方式;同时在动力下降过程中,着陆器也不能对地直接通信,只能通过中继星进行上下行操作。”

  月球背面长期受到陨石的冲击,巡视器行进过程中可能面对更多挑战,稍不留神有可能被卡住。为此,嫦娥三号的基础上,对巡视器移动能力进行了进一步加强,特别是在应对意外状况方面,开展了多项系统试验,并把每一个试验变化分解成多个环节,逐一开展详细验证。“对如石块落入车轮内部、驱动机构频繁启停、以及巡视器极限移动能力等状况均进行了逐一测试,并形成了应对方案。”嫦娥四号项目办副主任郑云青说。

  同时,巡视器还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘的污染等问题。“比如,月球的重力只有地球的1/6,我们针对这种低重力环境,对巡视器的移动速度、距离、越障能力等状态和参数进行充分的地面力学分析和验证,并结合月面散落的陨石和撞击坑的状态,使其具有一定的障碍识别和自主避障能力,保证它的通过性、机动性以及地形适应性。”张玉花说。

  搭建星际沟通桥梁

  不论探测器飞到多远,都需要深空测控通信系统作为联络的“纽带”。由于深空任务周期长、通信时延大、链路带宽有限、信号微弱等原因,使得深空测控通信实现起来更为困难,无论对星上设备还是对地面设备等都带来新的挑战。

  嫦娥四号将落在月球背面,没有任何通信信号,它无法像嫦娥三号那样直接和地球上的亲人们取得联系,“飞鸽传书”的任务就落到“鹊桥”中继卫星的肩上。通过早先发射并成功架设在地月拉格朗日L2点的中继卫星,实施与地面的通信信号“接力”,嫦娥四号才得以与地球保持联络。而随之带来的是地球与巡视器间的通讯时延大大增长。

  嫦娥四号数传分系统单机主管师黄波解释,正面着陆的嫦娥三号,科研人员可以在监控屏前实时观察到巡视器对指令的执行状况,但这次由于是背面着陆,此次从指令发出到行动图像传回至少有数分钟的延迟,对于巡视器的移动和机构活动有较明显的影响。为此,设计人员计算并设定了巡视器每项行动的最大耗时,连同每次行动指令一同发送,同时赋予巡视器一定的自主功能,以便有效应对可能的突发状况。

  与嫦娥三号巡视器相比,嫦娥四号巡视器测控数传分系统不仅要承担与着陆器的数据通信的功能,还要与中继星进行遥测和数据传输。“测控数传分系统有5种工作模式,我们在设计中充分考虑了冗余设计,使得各设备形成热备份。大大提高了系统的可靠性。”嫦娥四号测控分系统主任设计师汪莹说。

  如何安全度过月夜

  一个月夜相当于地球上14天。同时,月夜最低温度可达到零下180摄氏度。在没有光照的漫长黑夜里,对于依靠太阳能提供能量的嫦娥四号着陆器和巡视器来说,如何依靠自身存储的能量安全度过月夜将是一个很大的挑战。

  面对这一难题,研制人员提出了休眠唤醒的概念。当太阳缓慢地升起时,着陆器和巡视器将开始忙碌的十四天工作——着陆器在原地实施科学探测,巡视器则“东奔西走”开始探测。当月夜降临时,巡视器会为自己找好栖身之所,收起桅杆,合上太阳翼,开始休眠。一直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上,唤醒“沉睡”的巡视器和着陆器,开启又一次勘测。

  嫦娥四号采用了目前国内最先进的高效三结砷化镓太阳电池,光电转换效率从原先的28.6%提升到30.84%。嫦娥四号电源分系统技术负责人徐泽锋说,新的电池在光电转换效率、输出电压、输出电流、抗辐照能力、旁路二极管压降及重量等技术指标上均优于原电池,其可靠性也已经过多个型号的在轨及地面考核验证。“而且新电池降低了太阳电池片的厚度,为太阳电池减重了10%,功率裕度则由原先的6%增大到了9%。”

  破解备份贮存难题

  由于最初作为嫦娥三号的备份,嫦娥四号几乎与嫦娥三号同步生产,特别是移动机构、桅杆机构、太阳翼基板等产品,如今已经整整过去5年,超出了原有贮存期。如何“延寿”也就成为嫦娥四号绕不开的问题。

  到底是沿用原来的产品,还是重新投产,研制团队决定用数据说话。由于先前并没有基板复合材料地面贮存这么长时间的先例,如何验证,一开始就让上海航天人一头雾水,但团队集思广益,从贮存环境、机理分析、同状态类似地面贮存产品试验验证、其他型号技术调研等方面着手,结合嫦娥四号本身产品的热试验、力学试验、展开试验等性能测试、验证,确认已投产的嫦娥四号太阳翼基板经过地面贮存5年,其性能能够满足嫦娥四号任务需要,可以直接沿用。

  最终,按照机构产品重新研制确保产品性能可靠;结构产品经复测性能符合要求继续使用并按要求进行环境试验的方式,最大程度地兼顾了研制进度和产品质量。张玉花说,这次嫦娥四号算得上是一个节约经费、科学收获期望更多的工程。

  值得注意的是,在整个任务过程中,研制团队还为巡视器定义了感知、移动、探测、充电、安全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼等多种工作模式,以应对不同工作环境、适应不同工作状态。

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