月球探测任务的不确定环境与任务选择

月球探测任务的不确定环境与任务选择

众所周知，中国的探月工程是国家科技中长期规划的16个主要专项之一，实施了“环绕着、撤退着”的步骤。发射月球软着陆探测器和月球车对月球进行巡视勘察是中国月球探测工程“三步走”战略的第二期任务目标。2013年12月2日,嫦娥三号探测器从西昌出发,开始了我国月球探测二期工程的辉煌之旅。12月14日,嫦娥三号着陆器作为我国首个在地球以外天体表面实施软着陆的航天器成功着陆在月球虹湾地区。12月15日,“玉兔号”月球车的车辙印在了月球表面。当日,中共中央、国务院、中央军委向参试参研团队发来贺电,祝贺嫦娥三号任务取得圆满成功。而在此后,嫦娥三号着陆器和“玉兔号”月球车在月球上开展了一系列科学探测工作。眼下,虽然嫦娥三号着陆器仍然在月球上耕耘,但“玉兔号”月球车轮的轰鸣声已渐行渐远,嫦娥三号月球探测以任务圆满成功,取得多项成果的壮举永远镌刻在月亮之上。一、陆的月面探测嫦娥三号探测器包括着陆器和巡视器两个部分。嫦娥三号探测器经过发射段、地月转移段、环月段和动力下降段等过程,以软着陆的方式降落在月球虹湾地区,之后着陆器释放巡视器,开展月面探测,并下传科学数据。两器分离前,巡视器为着陆器的载荷;分离后两者为两个独立的探测器,在测控系统和地面应用系统的支持下,各自展开月面探测工作。研制这样一个满足工程要求,与嫦娥一号、二号和我国其它卫星完全不同的探测器在我国当属首次,工程研制队伍所面临的困难和挑战是可想而知的。推进系统结构设计的要求嫦娥三号探测器的任务是实现月球表面的软着陆和巡视探测。由于月球环境充满着未知,因此,嫦娥三号探测器相对以往研制的在地球轨道上运行的航天器有很大不同。主要表现在以下几个方面:月面环境的不确定性。主要影响探测器的设计边界条件和地面试验验证的环境模拟方法,同时也是直接影响任务成败的关键环节。如果着陆区域的地形地貌过于崎岖,就可能导致无法成功完成软着陆任务。嫦娥三号探测器获得的探测数据表明,月球表面的地形地貌是非常复杂的。无大气条件下如何着陆减速。要求推进系统提供足够大的速度增量,还需探测器的推力可调,这些对推进系统的设计提出了很高的要求。由于速度增量的需求,需要携带大量的推进剂(占发射总质量的比例超过2/3),从而给探测器总体设计和结构设计带来一系列难题。着陆段着陆器如何自主导航控制。月球软着陆的动力下降过程是一个自主闭环控制过程,需要探测器自身的制导、导航与控制系统利用基于对月测速、测距和地形识别的敏感器来进行全自主的制导、导航与控制。着陆冲击的缓冲。要求着陆缓冲系统能够吸收探测器撞击月面时产生的冲击载荷。同时在着陆缓冲机构的具体设计上还需要兼顾着陆稳定性的要求和发射状态下的包络尺寸的限制。复杂的月面环境如何进行热控保障。月球表面近300度的温度变化范围,要求热控系统必须采用新型热控技术和产品实现探测器内部的温度环境控制。同时也要求直接暴露在外面的设备具有极强的温度适应性。月球车在月面真空环境里如何移动。巡视器是我国首次研制的能够在地外天体表面移动的航天器,任务要求巡视器可在月面非结构化地形上行进,具有在松软月壤上移动的能力。月球车在月面巡视过程中怎样自主导航与遥操作控制。自主导航控制需要实现月面环境感知、障碍识别、局部路径规划及多轮运动协调控制等功能。另外,巡视器月面运行过程是一个器地交互、地面持续支持的过程,巡视器在轨运行采取自主导航和地面遥操作控制相结合的工作模式。在地面怎样试验模拟月球环境。月球的重力、温度、光照、辐射等环境与一般地球轨道航天器运行环境不同,因此地面需配备相应的试验验证和仿真模拟设备,研究相关的试验方法和理论,才能确保地面验证的有效性。美国东南角与中国体育工程探测系统作为我国首个在地球以外天体实施软着陆的航天器,与以往的任何卫星任务相比,影响嫦娥三号探测器任务成败的最大风险点在哪里?毫无疑问,是月球这个全新的星球以及它所带来的月面环境的不确定性;同时,落月时具体的月面地形地貌也不能完全确定,这些为安全着陆带来不可避免的风险。要研制完成进行月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和资源勘察、日-地-月空间环境探测与月基天文观测任务的探测器,在工程技术上必须应对三个目标和挑战:一是突破月球软着陆探测、巡视勘察技术及其它相关技术,包括地月飞行技术、月球软着陆技术、月面巡视勘察技术、遥操作技术、测控通信技术、月面特殊环境下探测器的热控与电源技术等。二是研制和发射月球探测器。根据任务需求,探测器系统包括着陆探测器、巡视探测器,并携带相关的科学探测仪器。三是建立月球探测航天工程基本系统。包括研制月球软着陆探测器、月面巡视探测器,建设深空测控通信网,改进地面应用和数据处理系统,改进运载火箭和发射场,形成配套的月球探测工程系统。月球环境和工程技术水平给探测器研制带来了巨大困难。2003年7月,中国空间技术研究院组织开展了月球探测二期工程探测器系统的相关关键技术的预先研究,为后续工程立项奠定了坚实基础。2008年3月,嫦娥三号探测器的研制正式获得国家批复立项,中国空间技术研究院负责嫦娥三号探测器的抓总研制工作。针对复杂未知的月球环境和嫦娥探月二期工程所面临的挑战,探测器研制队伍面临的困难有“四新两多两难一紧”的鲜明特点。其中,“四新”是指面临月面温度、月尘、月壤、月面地形地貌、1/6g重力环境等新环境;鉴定设备占80%以上的全新研制平台;为新科学探测配备的没有继承性的全新载荷设备以及工作关系耦合度高、产品集成度高的新模式。“两多”主要是以着陆导航敏感器、热控两相流体回路等为代表的新技术多,且技术跨度大;参与研制、设计及试验验证的协作配套单位多。“两难”体现在地面验证难和由软着陆特点决定的整器干重比不超过1/3而带来的减重难。“一紧”则体现在进度紧,从立项到发射仅仅5年9个月,需完成从方案论证到初样、正样、发射场等各阶段研制工作,以及相关的数十类产品攻关、几百台/套单机、鉴定件等的研制生产,多次大型专项试验验证,研制进度十分紧张。此外,嫦娥三号探测器采用了许多新技术,产品子样少,产品成熟度低;而飞行程序又非常复杂,特别是近月制动、动力下降过程,对飞行时序的要求很高,需要探测器飞行控制严格按时序执行,否则将影响主任务的完成。从2008年3月嫦娥三号探测器的研制正式获得国家批复立项,到2013年12月2日发射,在历时5年9个月的工程研制过程中,嫦娥三号探测器研制队伍勇敢地迎接挑战,披荆斩棘,殚精竭虑,把困难踩在脚下,用热血和赤诚,向共和国交上了一份圆满的答卷。二、月表内、月球车出成果、探测我国月球探测二期工程是一期工程的跨越式发展,实现了对探测对象由“面”向区域性的“点、面、内部”一体化的综合性探测,同时,探测方式也实现了月球软着陆探测和月面巡视勘察的有机结合。嫦娥三号探测器作为全新的航天器,经过地月转移段、环月段和动力下降段的飞行,在月表选定的区域实施软着陆,着陆器开展就位探测,巡视器开展巡视勘察,并把探测数据传回地面,是我国第一次在地球以外的天体上进行就位和巡视探测。2013年12月15日,当“玉兔号”月球车行走的车辙印在月球表面上,并传回探测数据后,中共中央、国务院、中央军委向参试参研团队发来贺电,祝贺嫦娥三号任务取得圆满成功。嫦娥三号月球探测工程圆满成功的标志可以概括为以下几个方面:东北部月面工程推进与国一是圆满完成了工程提出的“四项任务”。一是突破了探测器在月球表面上软着陆和对月球表面自动巡视探测的相关技术。二是成功研制能够分别进行就位探测、巡视探测和环月探测的着陆探测器、巡视探测器,并根据需要组成探测器系统,开展预定的科学探测活动。三是从工程技术实现的角度来看,成功突破了着陆轨道设计与制导、导航控制技术;着陆缓冲技术;月面探测的测控通信技术和月面工作的热控与电源技术等四项关键技术。四是验证了为保证我国月球探测二期工程的实施和后续深空探测任务而建立的月球探测器系统、深空测控网系统、地面应用和数据处理系统、运载火箭系统和发射场系统。二是实现了三大工程目标。从工程实施、技术进步的角度看,月球软着陆探测具有重要意义。探月二期工程的核心是实现探测设备“登上”月球,并进行科学探测。作为我国首个在地球以外天体实施软着陆的航天器,嫦娥三号月球之旅重点实现了“三大工程目标”:一是突破月球软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术,提升航天技术水平,特别是通过二期工程的实施,进一步验证、掌握地球至月球转移轨道发射技术,突破月球软着陆、月面巡视和遥操作技术、深空测控通信技术、轻小型化技术,掌握科学探测多源数据处理、解译与应用技术,试验验证月面巡视探测器月夜生存技术;二是研制月球软着陆探测器和巡视探测器,建立地面深空站,获得包括运载火箭、月球探测器、深空测控站、发射场、地面应用等在内的功能模块,具备月球软着陆探测的基本能力;三是建立月球探测航天工程基本体系,形成重大项目实施的科学有效的工程方法以及人才队伍,推动我国深空探测活动的持续发展。美国东南角模式一是实现了三项科学目标。我国科学家在广泛论证调研的基础上,初步提出了“嫦娥工程”二期工程实施“月球软着陆就位探测和月球车巡视勘察”的三项总体科学目标,即:(1)进行月表形貌与地质构造调查,包括着陆区和巡视区的形貌探测;撞击坑的调查与研究;月壤特性、厚度与月壳浅层结构探测,月球地质构造综合研究等四个方面;(2)开展月表物质成分和可利用资源调查,包括获取月球的化学成分、矿物组成、岩石类型及其分布规律,对着陆区和巡视区矿物组成与化学成分的就位分析,矿产与能源资源的调查与评估等;(3)开展日地月空间环境探测和月基光学天文观测,包括地球等离子体层极紫外成像探测、月基光学天文观测等。二是实现了三个应用目标。月球探测的应用目标是指月球