何成旦 贾阳 顾征 王先荣 申振荣 朱忠奎 孙小菁 严梗林( 兰州空间技术物理研究所 中国空间技术研究院总体部)

月球车野外试验场建造因素分析

何成旦1贾阳2顾征2王先荣1申振荣2朱忠奎1孙小菁1严梗林1(1 兰州空间技术物理研究所 2 中国空间技术研究院总体部)

中国月球探测工程分为三期:绕月探测,落月探测,采样返回探测.嫦娥-3任务是探月工程二期关键的一步,主要目标是实现月球软着陆探测与月面巡视勘察,将突破月球软着陆、月面巡视勘察、月面生存、深空测控通信与遥操作.

1 前言

月球车是嫦娥-3探测器的重要组成部分.它是能适应月球环境,携带科学仪器在月面移动,完成探测、采样、运载等任务的航天器.这是一类特殊的航天器,不同于传统的卫星、飞船.在着陆月面之前,月球车是着陆器的有效载荷,着陆后是独立、完整的移动探测器.为此,在上天前它要进行野外试验.

野外试验场试验是为了验证月球车在月球表面工作时的移动能力、导航能力和远距离遥操作控制能力;检验巡视器在未知、复杂、多变的环境下,按照既定的工作程序,完成任务的能力;训练和检验地面操控人员在未知、复杂、多变的环境下,按照既定的工作程序,地面操控人员的操作技能和互相配合的能力,提高地面操作控制的效率和可靠性;演练巡视器的任务过程,进一步检验和完善巡视器工作程序.

苏联试验场地和月球上的多石表面段

2 进行野外试验的必要性

月球地形地貌的复杂性给月球车遥操作、移动、勘查等工作带来许多疑难问题,在地面建立月球车野外试验场进行试验是各国开展月面巡视勘查工作的关键技术之一.

月球上成功应用的月球车有苏联的无人月球车-1、2和美国阿波罗-15、16、17登月飞船携带的3辆载人月球车.这些月球车在研制过程中进行了大量的野外地面试验,这些试验在很大程度上支持了探测计划的最终实现.

苏联月球车的野外试验场

根据目前的文献,苏联月球车利用移动模型进行了外场的移动性能试验.外场选择在刚爆发不久的火山周围,主要原因在于火山爆发后形成的火山灰的物理力学特性与月壤的比较接近,而且地貌特征与月面地貌比较接近.

美国月球车的野外试验场

(1)美国"阿波罗"计划中的野外试验场

美国"阿波罗"计划中所应用的野外试验场数目有10多个,主要分布在内华达州、阿拉斯加州、新墨西哥州等,还包括了加拿大、冰岛等国家的部分地方.试验场地形主要是根据具体着陆区的地形地貌进行选择,主要有沙漠地形和峡谷等.在这些场地中,除了训练航天员和月球车之外,还对探测仪器、探测活动编排等进行了试验.

(2)加拿大德文岛野外试验场

美国航空航天局(NASA)在重返月球计划中,论证的最佳着陆区域为月球南极的沙克勒顿(Shackleton)陨石坑,这是因为沙克勒顿坑的阴影区域内可能存在水冰,沙克勒顿坑直径约为19km.沙克勒顿坑和加拿大德文岛的霍顿(Haughton)陨石坑地形特征类似,霍顿坑的直径约为20km,是该级别撞击坑保持最完整的撞击坑,所以选择加拿大德文岛作为月球车野外试验场.

美国阿波罗-15中两名航天员在地面训练

加拿大德文岛野外试验场

月球沙克勒顿坑和加拿大德文岛霍顿坑

(3)智利阿塔卡玛(Atacama)沙漠试验场

为了火星探测任务,美国航空航天局开始测试最新的太空探测车,选择的测试地点是智利阿塔卡玛沙漠.专家认为,阿塔卡玛沙漠地表环境和火星十分相似.美国航空航天局命名为土卫七(hyperion)的太空车在智利阿塔卡玛沙漠试验场进行过试验,早期的测试对今后土卫七能否顺利完成任务至关重要.通过考察可以对火星上可能出现的情况采取预防措施.1997年美国"流浪者"(Nomad)机器人在智利阿塔卡玛沙漠进行的220km的长距离模拟工作室外测试."流浪者"机器人在阿塔卡玛沙漠完成穿越坑洞、岩石和松软沙地等任务,目的在于评估其完成未来探索月球和火星崎岖地形的能力.阿塔卡玛沙漠是世界上极干旱的沙漠之一,其深度侵蚀的地形、散布的陨石坑、稀疏的植被、多石的地貌结合疏松的沙土构成了酷似月球、火星和其他行星的地貌环境.试验为同类太空车考察月球、火星等提供技术准备.

智利北部的阿塔卡玛沙漠

美国"流浪者"机器人穿越试验

试验场原始地貌

3 试验场气候特征分析

月球车工作环境为月球表面,但其验证试验环节在地面进行,由于地面环境与月球表面存在差异,因此试验中需要模拟月表的环境特征.但由于在外场试验中受条件的限制,对于低重力环境、月壤环境和月表光照环境都不进行针对性模拟,直接利用野外试验场的现有条件.外场试验中对月表环境模拟的重点在地形地貌,要考虑地形地貌与月表真实情况的相似性,并精确测量对试验有明显影响作用的试验场自然环境参数.

哈尔滨工业大学曾在长白山、五大连池建立了月球车野外试验场.由于地形属于高山地貌,地面有原始森林覆盖,气候湿润,与月表环境差距较大.

在我国月球车原理样机研制中,曾在我国第四大沙漠-腾格里沙漠东南部建设了月球车野外试验场,我国西北沙漠地区气候干燥,昼夜温差大的特点,与月球表面有相似之处.但该试验场地沙丘起伏较大,沙丘间距在几十米量级,低洼处有植被,不满足长距离野外自然地貌越野试验所需的地形地貌条件.该试验场交通不便,工程保障车不能直接停靠在试验场地,不利于试验中通信、电力供给等条件保障.

经过多次实地考察,综合分析地形地貌、地表植被、降雨量、风速、昼夜温差、交通条件等,确定了在我国西北地区库姆塔格沙漠东北部建立我国第一个月球车野外试验场.

月球车野外试验场附近有中国科学院寒区旱区环境与工程研究所建立的气象站,气象站可以详细了解和掌握试验场近地层的风况特征,在试验场的线形沙丘地区,对于所有风速的风向,除每年的1-2月份为西南风外,其他月份均为东北风或东风.

试验场位于两条线形沙丘之间的平坦沙地上,下垫面为流沙.

月球车野外试验场附近有甘肃敦煌西湖国家级自然保护区管理局建立的气象站,气象站可以详细了解和掌握试验场附近地区各月的平均气温、平均最高及最低气温、日照时数及日照百分率、平均降雨量、平均相对湿度、平均蒸发量、大风和沙尘暴平均时数等环境参数.

我国西北地区库姆塔格沙漠东北部试验场附近地区各月和年平均风速

甘肃敦煌西湖国家级自然保护区管理局试验场地区环境参数

4 试验场样品与月壤的物理力学性质比较

试验场样品与月壤的物理力学性质研究主要分析了颗粒形态、粒度分布、化学成分、密度和抗剪性.

试验场样品颗粒形态

颗粒形态

月壤的颗粒形态极为多变,从球形到极端棱角状都有出现,但长条状、次棱角状和棱角状的颗粒形态相对更为常见.试验场样品的形貌比月壤形貌的复杂度差.

粒度分布

月壤的分选性普遍较差,月壤粒度分布很广,颗粒直径以小于1mm为主,绝大多数颗粒直径在30μm~1mm之间,通过"阿波罗"月壤样品的各种粒度参数分析可知,月壤分选性普遍较差,粒度与淤沙相似,中值粒径在40~130μm,平均为70μm.

试验场样品粒度

化学成分

试验场样品化学成分

密度

试验场样品与月壤的内摩擦角φ和内聚力c的最佳估计值

抗剪性

月壤的抗剪性是由内聚力c和内摩擦角φ两个指标决定.试验场样品与月表不同位置、不同深度月壤的内摩擦角φ和内聚力c的最佳估计值下表.

5 试验场建设因素分析

根据已有的月球探测成果,初步获得的月海区域内撞击坑、坡度和岩石的分布规律等月面的地形地貌特征,试验场应为野外开阔地,表层土壤干燥,具有一定的石块、风化的碎石和尘土,地形地貌与月表地形地貌分布尽量接近,试验场能够基本涵盖月面的特征,如环形山、月牙坑、沟槽、独立石块和地形平坦区域等.完全的自然环境很难满足野外试验的要求,因此要对野外试验场进行人工改造建设和布置,模拟月球表面的微地形、坡度以及不同尺寸的地面障碍物.

6 结论

选择的月球车野外试验场,通过气候特征分析比较,试验场样品与月壤的物理力学性能分析比较,试验场建设因素分析,保障月球车野外试验场最大程度地与月面地形地貌接近,为月球车进行野外试验提供了有力的技术支持.