“玉兔”飞天前在地球模拟克服月球“扬尘”

来源:互联网新闻 时间:2020-05-02 11:08

北京航天飞行控制中心内的“玉兔”号月球车1∶1模型。新华社发

【嫦娥奔月】

揭秘

美国宇航员从月球返回后曾说:人类探索月球遇到的首要麻烦问题就是月尘环境。月球表面覆盖的月壤中约95%的颗粒小至“毫米级”,如何让月球车在行进时不扬起这些灰尘,影响敏感部件的工作?研究人员可下了一番功夫。

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月球车如何克服“扬尘”

在地球模拟月球“扬尘”

十来天后,“玉兔”号月球车就将在月球开始巡视探测之旅。不过月球表面覆盖了一层厚度不等的月壤,约95%的颗粒属毫米级,月球车在月面上行走会不会造成扬尘,是否影响工作?这是一个令人担心的问题。如此微小的尘埃,很容易飘浮起来,如果蒙在月球车的相机镜头上,就等于罩住了“眼睛”,如果进入一些敏感仪器,可能影响工作效率,甚至导致故障。

为解决这一难题,中国航天科技集团公司总环部花了3年多时间进行技术攻关,在地面模拟月球的月尘环境,观察月球车的行走过程,这项技术也填补了国内空白。

项目组首先发明了拟月尘制备装置,生产出成分、密度、颗粒分布以及颗粒几何形状上近似于真实月尘的颗粒。

光有毫米级的颗粒可不行,还要把这些颗粒均匀淋撒在试验器件上,要求每平方米20克,相当于把半勺盐均匀撒在一平米的地方,这事挺难。为此科研人员设计了模拟月尘淋撒装置,能在一平米均匀淋撒0.1克的模拟月尘。

嫦娥三号上的雷达天线、望远镜、相机等5件有效载荷部件全部参与了月尘环境摸底试验,今后还将持续进行嫦娥五号除尘试验的技术攻关。

为模拟月球环境,项目组与真空技术专家一起,在有大量毫米级模拟月尘的综合环境中制造真空环境,为试验提供真空载尘的研究条件。

科研人员在这个环境下分别研究了无花纹、直花纹、斜花纹等仿真车轮的扬尘试验,记录下三种花纹车轮的临界起尘点,车轮转速与起尘高度,扬尘颗粒的速度、尺寸范围、运动轨迹和范围等试验数据。

研究发现,空气状态下的扬尘现象受气流扰动影响极大,与真空状态下的试验规律完全不同,为月面巡视探测及未来载人巡视器车轮扬尘问题提供了重要参考和依据。

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嫦娥三号如何平安落月

变推力发动机保落月安全

在月球表面能否实现软着陆,是嫦娥三号任务关键中的关键。落月过程发动机推力变化很大,而传统发动机无法实现推力的变化,无法胜任。

为让嫦娥三号着陆过程更加自如,中国航天科技集团公司六院研究设计出7500N变推力发动机,这是中国首台具备大范围变推力工作能力的液体发动机。

人类常见的地面着陆,有滑翔、降落伞、旋翼等不同方式,但落月是在真空状态下的软着陆,不能利用空气摩擦实现减速。

嫦娥三号落月过程中,能否落得稳,落得准,可以说由7500N变推力发动机说了算。在这个过程中发动机多种推力工况要“快速变化”,时而“铆足马力”,时而“轻手轻脚”,时而又“凝神静思”。

7500N发动机首次“亮相”,就承担动力系统接力“最后一棒”的重任。在距离月面15公里到2公里高度,嫦娥三号要完成主减速和姿态调整;在2公里到100米的高度要缓慢下降,随时悬停,识别并避开大的月面障碍;在100米到4米高度,要开始避开小的月面障碍,缓慢下降到4米后实施软着陆。

对于变推力发动机,最困难的是如何在大范围变推力情况下组织起高效燃烧和可靠冷却。7500N发动机推力室喷管采用特殊合金材料,外涂高温抗氧化剂涂层,壁身最薄处仅毫米级,全身无缝连接。

如果把发动机比作“心脏”,一根根导管就是输送“养分”的血管,要为嫦娥三号“服务”,所有导管至少要通过“三检五审”,“优等生”方能放行。首先要经过清洗、酸洗、内窥镜“肠道”检查,内外焊缝甚至还要接受X光拍片“透视”探伤。

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如何保障“天地”联通

“顺风耳”可测控4亿公里

记者从中国电子科技集团公司第三十九研究所获悉,由该研究所研发的中国最大口径66米大口径深空测控天线(人称顺风耳)首次正式参加“探月工程”任务,目前正和其余5套大型天线以及30多套测控通信天线共同构筑一套精准的测控保障系统,确保“嫦娥”探月的“天地”联通。

据介绍,嫦娥三号探月工程的最大亮点和难点是“落月”和月球车巡视勘察,需要极为精确的测量控制。66米大口径深空测控天线是专门为“嫦娥”任务研发的,在太空中的测控距离最远可达4亿公里,是目前国际上深空探测可达到的最远距离。

专家认为,这套大型测控天线首次引入超导技术与深度制冷技术,在零下270℃的低温环境下,仍可正常接收来自太空的测控信号,这是我国在该技术领域首次获得重大突破。

目前,“顺风耳”的相关技术人员已在各站点进行任务保障工作,分布在上海、喀什、昆明、佳木斯、乌鲁木齐等地的5套大口径天线形成一个严密的监控网络,对嫦娥三号进行全方位精确测控。

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如何为嫦娥三号指路

深空之眼口径3000公里

昨天11时06分,亚洲最大的65米口径射电望远镜——“天马望远镜”开始正式捕捉嫦娥三号。“天马望远镜”可以观测到百亿光年外的天体。

中国科学院上海天文台台长、嫦娥三号VLBI测轨分系统总指挥洪晓瑜表示,接下来的3个月时间里,位于上海的“天马望远镜”将与北京密云、云南昆明、新疆乌鲁木齐等5台望远镜合作,为“嫦娥”探月测轨、着陆器落月以及“玉兔”号月球车定位进行精密测量。

VLBI(甚长基线干涉测量)是当今天文观测领域分辨能力最高的一种手段。虽然单个射电望远镜的口径最多不超过100米,但是,当单个射电望远镜与东西南北不同方位的同类望远镜联网,其口径将相当于各方位望远镜间的地理跨度。因此,当上海等几座城市的射电望远镜“联手”,就会形成一个口径达3000多公里的“深空之眼”,其测量精度和测量分辨率等效于一台“巨无霸”望远镜。

“深空之眼”如何为嫦娥“引路”?洪晓瑜介绍,射电望远镜可以通过接收来自嫦娥三号发射的射电信号,精准测量她的方位角并构建“天体参考架”,再结合USB测距、测速数据处理结果,大幅提高嫦娥“落月”探测的定轨精度,为“玉兔”号月球车的勘察定位“保驾护航”。本版采写京华时报记者商西梅天一 新华社

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