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中国月球车国产化率100% 腹部“秘器”多  

2013-10-12 17:19:45|  分类: 科技前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国月球车国产化率100 腹部“秘器”多 - 新文明之光 - 新文明之光
 

探月工程是我国继人造卫星、载人航天后的又一重大航天领域项目。月面巡视探测器是探月工程“绕、落、回”中“落”的重要组成部分之一,是集航天系统工程、智能机器人技术的复杂航天器,涉及到人工智能、自动控制、机构学、信息技术等广泛的学科知识。

   脚踩“风火轮”,腹部“秘器”多

   2004年,我国探月工程得到国务院正式批准立项,分“绕、落、回”三期分步实施。“嫦娥三号”任务作为二期工程的主任务,是我国航天器首次在地球以外天体实现软着陆和巡视探测活动,是探月工程“绕、落、回”三步走中承前启后的关键一步。为实现月面软着陆,我国成功开发了新型航天平台--着陆探测器,采用了梁板复合式结构设计和可大范围伸缩的四腿式着陆缓冲机构,设计了自主式、高精度的分段减速悬停式无人着陆控制方案。

   中国航天科技集团公司宇航部部长赵小津说,从严格意义上来说,月球车并不是一辆车,而是一个长着轮子、能够适应恶劣空间环境并开展空间科学探测的航天器,是一个小型化、低功耗、高集成、高智能的机器人,公众习惯称之为“月球车”。据了解,月球车驶下着陆探测器后,可通过地面遥操作控制和自主规划路径,自主导航等开展长期的科学探测。在活动现场,记者看到了月球车1:2的模型,从模型上看,它的大脑袋上有一个定向天线和几个太阳敏感器,两侧为太阳翼,尾巴上很多天线,右后侧是导航相机和全景相机。它脚踩六个“风火轮”似的移动装置,腹部的“秘器”最多:包括红外成像光谱仪、避障相机、机械臂、激光点阵器等。除此之外,“嫦娥二号”月球车组成还有:结构与机构分系统,由结构和太阳翼机械部分、桅杆、机械臂构成,主要为各种仪器、设备、有效载荷提供工作平台;综合电子分系统:将中心计算机、驱动模块、处理模块等集中一体化,采用实时操作系统,实现遥测遥控、数据管理、导航控制、移动与机构的驱动控制等功能;测控数传分系统:保证月球车与地球38.4万公里的通信以及与着陆探测器之间通信;有效载荷分系统:主要是月球车配备的科学探测仪器,包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等。

   月球车以太阳能为能源,能够耐受月球表面真空、强辐射,以及从正150摄氏度到负180摄氏度,温差超过300摄氏度的极限温度和环境。工作时的舱内温度可以控制在零下20摄氏度至零上50摄氏度之间。月球车凭借六个轮子可实现前进、后退、原地转向、行进间转向、20度爬坡、20厘米越障。“月面松软、崎岖不平、障碍物很多。月球车能够对月面环境和障碍进行感知和识别,然后对巡视的路径进行规划。月球车在月面巡视时采取自主导航和地面遥控的组合模式。”探月工程副总指挥、探月与航天工程中心主任李本正说。


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2013年,由中国自行设计研制的“中华牌”月球车将乘坐“嫦娥三号”探月卫星“亲近”月球。目前,该月球车已制造完毕。

   大干三个月,一觉睡两周

   1.动身

   今年12月,中国将在西昌卫星中心用长征-3B增强型火箭发射“嫦娥三号”。

   2.着陆

   当“嫦娥三号”完成发射、飞行到达月球时,着陆探测器采取不同制导方式,从距月面15公里处开始动力下降,经过主动减速、调整接近、悬停避障等飞行阶段,实现路径优、燃料省、误差小的安全着陆。

   到达月球轨道后,月球车将由着陆器背负,由变推力液体火箭发射器控制,通过各种光学、微波等敏感器测量,在月球表面百米高度上进行悬停和平移,以规避岩石和深坑等障碍,选择最佳着陆点缓慢降落月球表面。

   3.准备

   着陆器为月球车充电,对月球车进行初始化;之后月球车与地面建立通信链路,控制连接解锁机构解锁,走上转移机构;着陆探测器将控制转移机构运动到月面,月球车驶离转移机构,开始勘查。

   4.勘查

   为期3个月,月球车将依靠各种先进设备对月表进行三维光学成像、红外光谱分析;开展月壤厚度和结构的科学探测;对月表物质主要元素进行现场分析。

   月球上一天的时间相当于地球上的27天略多,因此,月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天。李本正说,“嫦娥三号”月球车电源分系统,由两个太阳电池阵、一组锂离子电池组、休眠唤醒模块、电源控制器组成,利用太阳能为车上仪器和设备提供电源,不仅可以保证月球车白天连续工作相当于地球的14天,而且由于月夜无法通过光能发电,在月球车进入休眠状态后,过了14天还必须能够自动唤醒重新工作。也就是说,月球车在月球上是连续工作14天,然后“睡”14天再重新工作。

   月球表面白昼时温度高达150℃,黑夜时低至-180℃,温差超过300℃,尤其是月面上的昼、夜时间差分别长达约14天,必须保证月球车在长时间极端温度条件下能够正常工作。“嫦娥三号”月球车热控分系统,利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源,可使月球车工作时的舱内温度控制在+55℃~-20℃之间。在月球表面巡视的3个月中,月球车将依靠各种先进设备对月表进行三维光学成像、红外光谱分析,开展月壤厚度和结构的科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析。它传回来的数据,将帮助人们更直接、更准确地了解神秘的月亮。


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我国自行研制的“月面巡视探测器”在上海亮相

   “替身演员”地面模拟

   当“嫦娥三号”完成发射、飞行到达月球时,着陆探测器采取不同制导方式,从距月面15公里处开始动力下降,经过主动减速、调整接近、悬停避障等飞行阶段,实现路径优、燃料省、误差小的安全着陆。着陆探测器实现在月球表面软着陆后,首先由着陆器为月球车充电,对月球车进行初始化;之后,月球车与地面建立通信链路,控制连接解锁机构解锁,走上转移机构;在此之后,着陆探测器将控制转移机构运动到月面,月球车驶离转移机构,开始3个月的月面巡视勘察。

   在月面巡视勘察过程中,它可以利用相机对周围环境进行感知,并将数据传回地面;地面控制中心利用环境数据和月球车状态信息进行建模、分析和规划,并对规划进行运动仿真和验证;把通过验证的控制指令再上传给月球车,月球车将执行控制指令,并自主完成近距离障碍识别和局部路径规划,利用携带的仪器进行科学探测;对于给出的任务计划,还可根据具体情况选择地面操作模式或者自主运行模式。根据科学探测的需要,以上过程循环往复。依靠先进的设备,“嫦娥三号”月球车能够对巡视区月表进行三维光学成像,对月表进行红外光谱分析,开展月壤厚度和结构的科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析,等等。它传回来的数据,将帮助我们更加准确、更加直接地了解那个神秘美丽的月亮。

   其实,月球车的背后有个“替身演员”。这就是嫦娥三号月球车地面模拟车,用作发射前的地面模拟试验。“都是我们研究所的老师参与研制,制作了1年多。”东南大学机器人传感与控制技术研究所所长宋爱国教授告诉记者。宋爱国介绍说,东大研制的月球车地面模拟车和真正上天的月球车在结构和外形上不完全一样,但是在控制系统、车体硬度性能和机器臂远程控制等方面都一致。“月球车进行月面巡视探测任务时的地月通讯,比如指令能不能从地面发上去,发上去后月球车控制性能如何,信号能否返回地面,在真正上天之前,都要进行地面遥操作试验。但是真正的月球车造价很高,所以这些针对通讯系统、控制系统、传感系统的试验,都是由月球车地面模拟车来完成。”

   承担中国探月工程第二步“落月”任务的嫦娥三号探测器将于今年12月份择机发射,它将实现中国航天器首次在地外天体的软着陆,从嫦娥三号着陆器中释放的月球车还将完成中国首次在月表的巡视探测。9月25日,探月与航天工程中心启动为中国第一辆月球车全球征名的活动,要求名称体现探月理念和月球车特点,部分获奖者将有机会免费亲临西昌发射中心现场观摩嫦娥三号发射。目前,包括月球车、嫦娥三号着陆器等组件,都已经被运抵西昌卫星发射基地。探月工程总设计师吴伟仁说,这是我国第一辆月球车,国产率达到100%。



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中国探月工程总设计师吴伟仁25日在京宣布,嫦娥三号搭载的月球车即日起面向全球征名。

   避开障碍“闲庭信步”

   月球车在月面行走是此次嫦娥三号的最大看点。从创新性来看,主要体现为中国首次实现在地外天体表面无人自动巡视、首次实现探测器月夜生存、首次建立覆盖火星探测范围的测控通信网、首次自主开展月面就位科学探测等4个方面。与以往相比,嫦娥三号最大难点是实现软着陆,最大亮点是月球车在月面行走,而要实现以上两点必须涉及到无人月面着陆器与自动巡视车。此次巡视车底部装有脉冲雷达,也是全世界探月史上的创新。

   从技术角度,此次登月意味着,我国在精确导航技术、适应极限温度的材料技术、遥感成像探测技术都有新的突破。

   精确导航技术方面,嫦娥三号探测器着陆过程自离月15公里高度开始,着陆过程中需要识别并避开月面障碍。需要通过各种光学、微波等敏感器测量,在月球表面百米高度上进行悬停和平移,选择最佳着陆点,这些都需要对与飞行器的精确导航。

   月球表面白昼与黑夜温差超过摄氏300度,为了在极端环境下顺利完成任务,月球车热控分系统利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源,可耐受摄氏零下180度至零上150度的极限温度。此次发射也是对与我国新材料,尤其在适应极限温度方面的一次考验。

   遥感成像探测技术方面,在月球表面巡视的3个月中,月球车将对月表进行三维光学成像、红外光谱分析,开展月壤厚度和结构的科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析,将应用“多维精细超光谱遥感成像探测技术”。该技术由中科院上海技术物理研究所研发,这表明我国遥感成像探测技术已获重要突破。

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                    “嫦娥三号”着陆探测器释放分离月球车示意图


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