毅飞

2013年12月2日1时30分，“嫦娥三号”探测器由长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心发射，首次实现月球软着陆和月面巡视勘察。10日成功降轨。15日凌晨，玉兔号月球车小心翼翼地从“嫦娥三号”着陆器上驶出来，缓缓开到布满尘埃和砾石的月球表面，“广寒宫”迎来了来自中国的新客人。15日晚，正在月球上开展科学探测工作的“嫦娥三号”着陆器和巡视器进行互成像实验，“两器”顺利互拍，“嫦娥三号”任务取得圆满成功。

“嫦娥三号”任务是世界上第130次探测月球，对于中国来说，是连续第三次探月任务取得成功，使中国成为世界上第三个掌握月球软着陆和月面巡视探测技术的国家。“嫦娥三号”任务的圆满完成，标志着我国探月工程“绕、落、回”第二步战略目标的全面实现，在我国航天事业发展中具有重要里程碑意义。让我们一起看看“玉兔”身上的高科技装备，一起听听探月专家们聊“嫦娥三号”在本次任务中一些鲜为人知的故事。

揭秘“玉兔”身上的高科技装备

2013年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，并给它安装了各种高科技装备。

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2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”必须随时明确三个问题：“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，是月球车实现能源供应和对地通信的根本。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。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。

听探月专家们聊“嫦娥三号”那些事

随着月面上五星红旗照片传回地球，“嫦娥三号”任务已取得圆满成功。2013年12月17日，中国科协在北京举办第35期“科学家与媒体面对面”活动，邀请了探月工程总设计师吴伟仁、“嫦娥三号”任务运载火箭系统副总设计师刘建忠、探测器系统副总设计师张熇以及地面应用系统副总设计师苏彦，向媒体和公众讲述了本次任务中一些鲜为人知的故事。

200多预案一个都没用上

航天工程具有高风险、高投入、高技术的“三高”特点，通常来说，每次任务所用的新技术、新产品不会超过30%，以求风险可控。然而嫦娥三号任务中的新设备、新技术却达到80%，信心从何而来？

吴伟仁说，本次任务中，月球车、着陆器的设计，以及月面软着陆的经验，我国基本上都是空白，必须全部从头开始。这样风险很大，要精心设计、计算、制造，确保质量才可能成功。

他表示，“嫦娥三号”从发射、软着陆，到两器分离、互拍，每一步都完成得完美、精准，甚至比预想的还顺利。

其实，科研人员在按照最好结果努力的同时，也作了最坏的准备。吴伟仁介绍，本次任务中科研人员准备了200多个故障预案，包括每出现一个故障该采取什么措施，转移到什么程度，都准备得非常精细。“结果到现在，这些预案一个都没用上。”他说。

“玉兔”前面的坑躲过了吗

15日凌晨4点35分，“嫦娥三号”着陆器伸出双臂，将“玉兔号”月球车稳稳地放在月面，让人们振奋不已。但直播画面中，“玉兔”右前方的一个大坑，却令不少人担忧——“在接下来的工作中，‘玉兔能躲过这个坑么？”

据介绍，这个坑直径约20米，深度大概2至3米。不过张熇给大家送上了定心丸。“这个坑离着陆器还有十几米的距离，巡视器也有自己的导航路径规划，可以绕开这个坑走，不会受影响。”她说。

“嫦娥三号”着陆后，张熇看到监视相机拍的图像，先是觉得非常幸运，随即感觉很成功。她说，照片中可以看到这个坑，还有一些石块，但着陆器落脚的地方非常平坦，说明我们自己设计的导航很好地实现了自主避障功能。

“黑色720秒”说法并不准确

嫦娥三号任务中，实施月面软着陆的过程约12分钟，最为惊心动魄，被许多人称为“黑色720秒”。张熇表示，这一说法并不准确。

“通常我们把航天器和地面完全无法通讯联系的过程叫做‘黑色。”她说，“嫦娥三号”软着陆期间，所有的遥测数据都能传回地面，通信并没有断开。

然而地面对这一过程却很难干预，只能由“嫦娥三号”自主完成。张熇说，“嫦娥三号”下降的速度非常快，要实时判断下降速度、高度、月表地形等，并随时作出调整。如果将数据传回地面，地面完成判断后再发出指令，这个过程至少需要几秒钟，很难实现及时准确的控制。

8台科学设备已有6台开机

尽管工程目标已实现，但“嫦娥”和“玉兔”还将开展一系列科学探测。

苏彦表示，“嫦娥三号”的科学探测任务可以用6个字来总结：巡天、观地、测月，这是人类史上第一次利用着陆器就位和巡视器巡视相结合的探测。根据着陆器的静止特点配备了月基光学望远镜、极紫外相机、降落相机和地形地貌相机；结合巡视器要运动的特点配备了测月雷达、粒子激发X射线谱仪、红外成像光谱仪和全景相机，共计8台科学仪器。

她说，“巡天”是利用月基光学望远镜在月球上开展天文观测，由于月球没有大气干扰，观测时间更长，看得更清楚；“观地”是用极紫外相机对地球等离子体层进行观测，实时记录阳光、磁层、大气层的相互作用，为空间科学研究和自然灾害预报提供科学的基础数据。以前在地球上只能观测到局部，在月球则具有整体观测优势。

“测月”则是指利用粒子激发X射线谱仪、红外成像光谱议测量月球上的矿物和成分，借助测月雷达局部区域进行精密剖析。

苏彦介绍，8台设备中目前已有6台开机，包括降落相机、地形地貌相机、月基光学望远镜、测月雷达、全景相机和极紫外相机。“希望这些设备能很快给我们带来更多惊喜，让我们对月球有更深的了解。”她说。

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月球上有哪些中国人名与地名？

月球，这个地球的近邻上有没有留下中国人的名字呢？有！

从望远镜被发明开始，人类陆续续对月球上的一些地形单元进行了命名。从1935年开始，国际月面地名命名委员会相继对这些地名进行了整理和确认。2010年，我国利用嫦娥工程影像数据首次申报“月球地理实体命名”，获得国际天文学联合会批准。月面上的三个撞击坑用我国著名科学家蔡伦、毕昇和张钰哲的名字来命名。

根据国防科工局的资料统计，月球上共计有14个以中国人名和地名命名的19个月球地理实体，包括12个撞击坑、2个月溪和5个卫星坑。

这14个中国人名和地名包括：石申、蔡伦、张衡、祖冲之、李白、毕昇、郭守敬、万户、高平子、张钰哲、神话传说中嫦娥和瓷都景德镇。此外，1976年和1985年有两条月球正面的月溪被外国人分别用两位中国妇女的名字命名。由于文献资料的缺乏，至今无法确认这两位发音为“Wan-Yu”和“Sung-Me”的中国女性是谁。