月球探測(cè)任務(wù)的不確定環(huán)境與任務(wù)選擇

月球探測(cè)任務(wù)的不確定環(huán)境與任務(wù)選擇

眾所周知，中國(guó)的探月工程是國(guó)家科技中長(zhǎng)期規(guī)劃的16個(gè)主要專項(xiàng)之一，實(shí)施了“環(huán)繞著、撤退著”的步驟。發(fā)射月球軟著陸探測(cè)器和月球車對(duì)月球進(jìn)行巡視勘察是中國(guó)月球探測(cè)工程“三步走”戰(zhàn)略的第二期任務(wù)目標(biāo)。2013年12月2日,嫦娥三號(hào)探測(cè)器從西昌出發(fā),開(kāi)始了我國(guó)月球探測(cè)二期工程的輝煌之旅。12月14日,嫦娥三號(hào)著陸器作為我國(guó)首個(gè)在地球以外天體表面實(shí)施軟著陸的航天器成功著陸在月球虹灣地區(qū)。12月15日,“玉兔號(hào)”月球車的車轍印在了月球表面。當(dāng)日,中共中央、國(guó)務(wù)院、中央軍委向參試參研團(tuán)隊(duì)發(fā)來(lái)賀電,祝賀嫦娥三號(hào)任務(wù)取得圓滿成功。而在此后,嫦娥三號(hào)著陸器和“玉兔號(hào)”月球車在月球上開(kāi)展了一系列科學(xué)探測(cè)工作。眼下,雖然嫦娥三號(hào)著陸器仍然在月球上耕耘,但“玉兔號(hào)”月球車輪的轟鳴聲已漸行漸遠(yuǎn),嫦娥三號(hào)月球探測(cè)以任務(wù)圓滿成功,取得多項(xiàng)成果的壯舉永遠(yuǎn)鐫刻在月亮之上。一、陸的月面探測(cè)嫦娥三號(hào)探測(cè)器包括著陸器和巡視器兩個(gè)部分。嫦娥三號(hào)探測(cè)器經(jīng)過(guò)發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段和動(dòng)力下降段等過(guò)程,以軟著陸的方式降落在月球虹灣地區(qū),之后著陸器釋放巡視器,開(kāi)展月面探測(cè),并下傳科學(xué)數(shù)據(jù)。兩器分離前,巡視器為著陸器的載荷;分離后兩者為兩個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器,在測(cè)控系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)的支持下,各自展開(kāi)月面探測(cè)工作。研制這樣一個(gè)滿足工程要求,與嫦娥一號(hào)、二號(hào)和我國(guó)其它衛(wèi)星完全不同的探測(cè)器在我國(guó)當(dāng)屬首次,工程研制隊(duì)伍所面臨的困難和挑戰(zhàn)是可想而知的。推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求嫦娥三號(hào)探測(cè)器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月球表面的軟著陸和巡視探測(cè)。由于月球環(huán)境充滿著未知,因此,嫦娥三號(hào)探測(cè)器相對(duì)以往研制的在地球軌道上運(yùn)行的航天器有很大不同。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:月面環(huán)境的不確定性。主要影響探測(cè)器的設(shè)計(jì)邊界條件和地面試驗(yàn)驗(yàn)證的環(huán)境模擬方法,同時(shí)也是直接影響任務(wù)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果著陸區(qū)域的地形地貌過(guò)于崎嶇,就可能導(dǎo)致無(wú)法成功完成軟著陸任務(wù)。嫦娥三號(hào)探測(cè)器獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)表明,月球表面的地形地貌是非常復(fù)雜的。無(wú)大氣條件下如何著陸減速。要求推進(jìn)系統(tǒng)提供足夠大的速度增量,還需探測(cè)器的推力可調(diào),這些對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。由于速度增量的需求,需要攜帶大量的推進(jìn)劑(占發(fā)射總質(zhì)量的比例超過(guò)2/3),從而給探測(cè)器總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列難題。著陸段著陸器如何自主導(dǎo)航控制。月球軟著陸的動(dòng)力下降過(guò)程是一個(gè)自主閉環(huán)控制過(guò)程,需要探測(cè)器自身的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)利用基于對(duì)月測(cè)速、測(cè)距和地形識(shí)別的敏感器來(lái)進(jìn)行全自主的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制。著陸沖擊的緩沖。要求著陸緩沖系統(tǒng)能夠吸收探測(cè)器撞擊月面時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷。同時(shí)在著陸緩沖機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)上還需要兼顧著陸穩(wěn)定性的要求和發(fā)射狀態(tài)下的包絡(luò)尺寸的限制。復(fù)雜的月面環(huán)境如何進(jìn)行熱控保障。月球表面近300度的溫度變化范圍,要求熱控系統(tǒng)必須采用新型熱控技術(shù)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)探測(cè)器內(nèi)部的溫度環(huán)境控制。同時(shí)也要求直接暴露在外面的設(shè)備具有極強(qiáng)的溫度適應(yīng)性。月球車在月面真空環(huán)境里如何移動(dòng)。巡視器是我國(guó)首次研制的能夠在地外天體表面移動(dòng)的航天器,任務(wù)要求巡視器可在月面非結(jié)構(gòu)化地形上行進(jìn),具有在松軟月壤上移動(dòng)的能力。月球車在月面巡視過(guò)程中怎樣自主導(dǎo)航與遙操作控制。自主導(dǎo)航控制需要實(shí)現(xiàn)月面環(huán)境感知、障礙識(shí)別、局部路徑規(guī)劃及多輪運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制等功能。另外,巡視器月面運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)器地交互、地面持續(xù)支持的過(guò)程,巡視器在軌運(yùn)行采取自主導(dǎo)航和地面遙操作控制相結(jié)合的工作模式。在地面怎樣試驗(yàn)?zāi)M月球環(huán)境。月球的重力、溫度、光照、輻射等環(huán)境與一般地球軌道航天器運(yùn)行環(huán)境不同,因此地面需配備相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真模擬設(shè)備,研究相關(guān)的試驗(yàn)方法和理論,才能確保地面驗(yàn)證的有效性。美國(guó)東南角與中國(guó)體育工程探測(cè)系統(tǒng)作為我國(guó)首個(gè)在地球以外天體實(shí)施軟著陸的航天器,與以往的任何衛(wèi)星任務(wù)相比,影響嫦娥三號(hào)探測(cè)器任務(wù)成敗的最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在哪里?毫無(wú)疑問(wèn),是月球這個(gè)全新的星球以及它所帶來(lái)的月面環(huán)境的不確定性;同時(shí),落月時(shí)具體的月面地形地貌也不能完全確定,這些為安全著陸帶來(lái)不可避免的風(fēng)險(xiǎn)。要研制完成進(jìn)行月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查、月表物質(zhì)成分和資源勘察、日-地-月空間環(huán)境探測(cè)與月基天文觀測(cè)任務(wù)的探測(cè)器,在工程技術(shù)上必須應(yīng)對(duì)三個(gè)目標(biāo)和挑戰(zhàn):一是突破月球軟著陸探測(cè)、巡視勘察技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù),包括地月飛行技術(shù)、月球軟著陸技術(shù)、月面巡視勘察技術(shù)、遙操作技術(shù)、測(cè)控通信技術(shù)、月面特殊環(huán)境下探測(cè)器的熱控與電源技術(shù)等。二是研制和發(fā)射月球探測(cè)器。根據(jù)任務(wù)需求,探測(cè)器系統(tǒng)包括著陸探測(cè)器、巡視探測(cè)器,并攜帶相關(guān)的科學(xué)探測(cè)儀器。三是建立月球探測(cè)航天工程基本系統(tǒng)。包括研制月球軟著陸探測(cè)器、月面巡視探測(cè)器,建設(shè)深空測(cè)控通信網(wǎng),改進(jìn)地面應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),改進(jìn)運(yùn)載火箭和發(fā)射場(chǎng),形成配套的月球探測(cè)工程系統(tǒng)。月球環(huán)境和工程技術(shù)水平給探測(cè)器研制帶來(lái)了巨大困難。2003年7月,中國(guó)空間技術(shù)研究院組織開(kāi)展了月球探測(cè)二期工程探測(cè)器系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究,為后續(xù)工程立項(xiàng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2008年3月,嫦娥三號(hào)探測(cè)器的研制正式獲得國(guó)家批復(fù)立項(xiàng),中國(guó)空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)嫦娥三號(hào)探測(cè)器的抓總研制工作。針對(duì)復(fù)雜未知的月球環(huán)境和嫦娥探月二期工程所面臨的挑戰(zhàn),探測(cè)器研制隊(duì)伍面臨的困難有“四新兩多兩難一緊”的鮮明特點(diǎn)。其中,“四新”是指面臨月面溫度、月塵、月壤、月面地形地貌、1/6g重力環(huán)境等新環(huán)境;鑒定設(shè)備占80%以上的全新研制平臺(tái);為新科學(xué)探測(cè)配備的沒(méi)有繼承性的全新載荷設(shè)備以及工作關(guān)系耦合度高、產(chǎn)品集成度高的新模式?！皟啥唷敝饕且灾憣?dǎo)航敏感器、熱控兩相流體回路等為代表的新技術(shù)多,且技術(shù)跨度大;參與研制、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證的協(xié)作配套單位多?！皟呻y”體現(xiàn)在地面驗(yàn)證難和由軟著陸特點(diǎn)決定的整器干重比不超過(guò)1/3而帶來(lái)的減重難?！耙痪o”則體現(xiàn)在進(jìn)度緊,從立項(xiàng)到發(fā)射僅僅5年9個(gè)月,需完成從方案論證到初樣、正樣、發(fā)射場(chǎng)等各階段研制工作,以及相關(guān)的數(shù)十類產(chǎn)品攻關(guān)、幾百臺(tái)/套單機(jī)、鑒定件等的研制生產(chǎn),多次大型專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證,研制進(jìn)度十分緊張。此外,嫦娥三號(hào)探測(cè)器采用了許多新技術(shù),產(chǎn)品子樣少,產(chǎn)品成熟度低;而飛行程序又非常復(fù)雜,特別是近月制動(dòng)、動(dòng)力下降過(guò)程,對(duì)飛行時(shí)序的要求很高,需要探測(cè)器飛行控制嚴(yán)格按時(shí)序執(zhí)行,否則將影響主任務(wù)的完成。從2008年3月嫦娥三號(hào)探測(cè)器的研制正式獲得國(guó)家批復(fù)立項(xiàng),到2013年12月2日發(fā)射,在歷時(shí)5年9個(gè)月的工程研制過(guò)程中,嫦娥三號(hào)探測(cè)器研制隊(duì)伍勇敢地迎接挑戰(zhàn),披荊斬棘,殫精竭慮,把困難踩在腳下,用熱血和赤誠(chéng),向共和國(guó)交上了一份圓滿的答卷。二、月表內(nèi)、月球車出成果、探測(cè)我國(guó)月球探測(cè)二期工程是一期工程的跨越式發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)對(duì)象由“面”向區(qū)域性的“點(diǎn)、面、內(nèi)部”一體化的綜合性探測(cè),同時(shí),探測(cè)方式也實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸探測(cè)和月面巡視勘察的有機(jī)結(jié)合。嫦娥三號(hào)探測(cè)器作為全新的航天器,經(jīng)過(guò)地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段和動(dòng)力下降段的飛行,在月表選定的區(qū)域?qū)嵤┸浿?著陸器開(kāi)展就位探測(cè),巡視器開(kāi)展巡視勘察,并把探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面,是我國(guó)第一次在地球以外的天體上進(jìn)行就位和巡視探測(cè)。2013年12月15日,當(dāng)“玉兔號(hào)”月球車行走的車轍印在月球表面上,并傳回探測(cè)數(shù)據(jù)后,中共中央、國(guó)務(wù)院、中央軍委向參試參研團(tuán)隊(duì)發(fā)來(lái)賀電,祝賀嫦娥三號(hào)任務(wù)取得圓滿成功。嫦娥三號(hào)月球探測(cè)工程圓滿成功的標(biāo)志可以概括為以下幾個(gè)方面:東北部月面工程推進(jìn)與國(guó)一是圓滿完成了工程提出的“四項(xiàng)任務(wù)”。一是突破了探測(cè)器在月球表面上軟著陸和對(duì)月球表面自動(dòng)巡視探測(cè)的相關(guān)技術(shù)。二是成功研制能夠分別進(jìn)行就位探測(cè)、巡視探測(cè)和環(huán)月探測(cè)的著陸探測(cè)器、巡視探測(cè)器,并根據(jù)需要組成探測(cè)器系統(tǒng),開(kāi)展預(yù)定的科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。三是從工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看,成功突破了著陸軌道設(shè)計(jì)與制導(dǎo)、導(dǎo)航控制技術(shù);著陸緩沖技術(shù);月面探測(cè)的測(cè)控通信技術(shù)和月面工作的熱控與電源技術(shù)等四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。四是驗(yàn)證了為保證我國(guó)月球探測(cè)二期工程的實(shí)施和后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)而建立的月球探測(cè)器系統(tǒng)、深空測(cè)控網(wǎng)系統(tǒng)、地面應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)和發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)。二是實(shí)現(xiàn)了三大工程目標(biāo)。從工程實(shí)施、技術(shù)進(jìn)步的角度看,月球軟著陸探測(cè)具有重要意義。探月二期工程的核心是實(shí)現(xiàn)探測(cè)設(shè)備“登上”月球,并進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。作為我國(guó)首個(gè)在地球以外天體實(shí)施軟著陸的航天器,嫦娥三號(hào)月球之旅重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了“三大工程目標(biāo)”:一是突破月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測(cè)控通信與遙操作、深空探測(cè)運(yùn)載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù),提升航天技術(shù)水平,特別是通過(guò)二期工程的實(shí)施,進(jìn)一步驗(yàn)證、掌握地球至月球轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射技術(shù),突破月球軟著陸、月面巡視和遙操作技術(shù)、深空測(cè)控通信技術(shù)、輕小型化技術(shù),掌握科學(xué)探測(cè)多源數(shù)據(jù)處理、解譯與應(yīng)用技術(shù),試驗(yàn)驗(yàn)證月面巡視探測(cè)器月夜生存技術(shù);二是研制月球軟著陸探測(cè)器和巡視探測(cè)器,建立地面深空站,獲得包括運(yùn)載火箭、月球探測(cè)器、深空測(cè)控站、發(fā)射場(chǎng)、地面應(yīng)用等在內(nèi)的功能模塊,具備月球軟著陸探測(cè)的基本能力;三是建立月球探測(cè)航天工程基本體系,形成重大項(xiàng)目實(shí)施的科學(xué)有效的工程方法以及人才隊(duì)伍,推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展。美國(guó)東南角模式一是實(shí)現(xiàn)了三項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)。我國(guó)科學(xué)家在廣泛論證調(diào)研的基礎(chǔ)上,初步提出了“嫦娥工程”二期工程實(shí)施“月球軟著陸就位探測(cè)和月球車巡視勘察”的三項(xiàng)總體科學(xué)目標(biāo),即:(1)進(jìn)行月表形貌與地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查,包括著陸區(qū)和巡視區(qū)的形貌探測(cè);撞擊坑的調(diào)查與研究;月壤特性、厚度與月殼淺層結(jié)構(gòu)探測(cè),月球地質(zhì)構(gòu)造綜合研究等四個(gè)方面;(2)開(kāi)展月表物質(zhì)成分和可利用資源調(diào)查,包括獲取月球的化學(xué)成分、礦物組成、巖石類型及其分布規(guī)律,對(duì)著陸區(qū)和巡視區(qū)礦物組成與化學(xué)成分的就位分析,礦產(chǎn)與能源資源的調(diào)查與評(píng)估等;(3)開(kāi)展日地月空間環(huán)境探測(cè)和月基光學(xué)天文觀測(cè),包括地球等離子體層極紫外成像探測(cè)、月基光學(xué)天文觀測(cè)等。二是實(shí)現(xiàn)了三個(gè)應(yīng)用目標(biāo)。月球探測(cè)的應(yīng)用目標(biāo)是指月球