玉兔被成功唤醒 “三姑娘”登月技术要点回顾
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摘要:嫦娥玉兔睡醒了!国防科工局今天宣布,12日8时21分,嫦娥三号着陆器接受光照自主唤醒。此前,玉兔号月球车已于11日5时9分实现自主唤醒。两器在月球上安全度过首个月夜,经受了长

  嫦娥玉兔睡醒了!国防科工局今天宣布,12日8时21分,嫦娥三号着陆器接受光照自主唤醒。此前,玉兔号月球车已于11日5时9分实现自主唤醒。两器在月球上安全度过首个月夜,经受了长达14个地球日的极低温环境考验,标志着我国成功突破了探测器月夜生存技术。

  饱睡了登月后的第一觉后,月球上天亮了。太阳从月球东边冉冉升起,阳光照射在玉兔号月球车太阳翼的电池片上,产生电流。玉兔号月球车上综合电子、测控等设备陆续加电,电充到一定值后,接通开关。测控线路传输信号到地面,告诉地面科研人员兔子醒了。科研人员再从地向月发送信号,设置月球车的工作状态。

  着陆器缘何比月球车起床晚?这是因为,月夜降临的时候,科研人员有意把着陆器和月球车的太阳翼设定在不同角度上。当太阳冉冉升起,阳光先照射到月球车太阳翼,后照射到着陆器太阳翼。月球车先充电,所以先唤醒。

  目前,嫦娥三号着陆器和玉兔号月球车工作状态正常,地面各测控站和中心数据接收及处理正常。月夜唤醒后的10余天月昼时间内,北京航天飞行控制中心将控制两器开展预定的月面科学探测工作。

  工程各有关方面要充分利用有限月昼期开展工作,尽可能多地获取科学数据,加强对已获取科学数据的研究工作,为探月工程后续任务积累经验、提供支持。中国探月工程总指挥许达哲说。

  第一个月昼里,着陆器和玉兔号月球车所有科学载荷顺利开机工作。着陆器地形地貌相机对月球进行了环拍,并首次对地球进行拍摄。玉兔号月球车全景相机进行了环拍,获得了彩色立体影像图。

嫦娥三号登月技术要点回顾

  12月14日21时11分,嫦娥三号探测器在月球表面预选着陆区域成功着陆,标志着我国已成为世界上第三个实现地外天体软着陆的国家。

  21时00分,嫦娥三号探测器变推力发动机开机,开始实施动力下降,探测器经主减速、快速调整、接近、悬停、避障和缓速下降等6个阶段。21时11分,在月球正面的虹湾以东地区着陆。

嫦娥三号登月计划中自动化技术大盘点

  这是人类第130次探月活动,也是在1976年苏联月球24号探测器登陆月球后第一个登陆月球的人类探测器。此前,世界上仅有苏联、美国成功实施了13次无人月球表面软着陆。不同于国外的软着陆方案,嫦娥三号的软着陆过程设有悬停和避障阶段,探测器可对着陆区地形地貌进行精确勘察,识别出月面斜坡、石块、坑凹等危险地形,极大提高了着陆的安全性、可靠性。

  我国在航天事业所前进的每一步都伴随着我国在自动化领域的进步,嫦娥三号在月球表面的成功软着陆更是自动化技术的完美结合,下面就让我们一起来看一下,嫦娥三号登月所展现出来的自动化技术吧。

  自动测控设备助嫦娥三号升天

  长征三号火箭搭载嫦娥三号卫星成功发射,中国航天科工一院自主研制的自动测控设备出色地完成了运载火箭测量、远距离测发控任务。

  航天科工一院研制的地面测控设备是为长征三号运载火箭系统研制生产的远距离测发控系统VXI自动测控设备,主要用于完成测量系统远距离地面供配电控制及测试任务,具备对箭上遥测、外安系统供配电控制、模拟信号控制、状态参数采集、模拟量参数采集以及数据存盘、处理和网络传输等功能,完成运载火箭的地面测试、各项试验及靶场飞行测试,为运载火箭的维护和成功发射提供了重要保障。

嫦娥三号登月计划中自动化技术大盘点

  该地面测控设备采用先进的总线测控技术、实时故障监测及预警技术,进行高可靠性和安全性设计,具有兼容性好、精度高、速度快、可靠性等级高等特点,主要包含VXI总线设备、外置计算机以及信号调理设备。

  在实际工作中,外置控制主机在接收到后端网络发送的远程控制指令后,对网络指令进行解析,根据后端指令设置控制VXI总线设备,完成对箭上遥测、外安系统的状态参数、模拟量参数的自动测量,并将测量数据实时发送至后端控制计算器,进行数据的判读,同时完成本地数据的存储,以备查询和模拟测控试验的完成;此外,该系统还可根据后端指令控制要求,控制VXI总线设备完成状态量控制指令的输出,实现箭上遥测、外安系统的供配电控制,提供测试激励信号;调理设备则负责将来自火箭系统的多种参数转换成可供VXI总线设备采集的信号,同时也将VXI总线设备输出的信号转换为火箭系统所需的信号形式。

  地面飞控智能系统:嫦娥三号的神经中枢

  智能系统极大提高了飞控的可靠性和整体发射能力,为嫦娥三号探测器成功奔月奠定坚实技术支撑。嫦娥飞天过程中,负责总体方案的工作人员根据协同工作程序对嫦娥三号的计划执行情况进行严密监视,页面上,调度的每一个口令、探测器的每一个动作都有细致的安排。

  协同工作程序是飞行控制中一种重要的计划类方案,地面技术人员要依据这个方案进行控制和操作。传统的协同程序编排过程十分复杂,需要依靠人工编排,在任务执行中无法进行动态调整。最新的飞控系统协同自动规划与辅助决策支持系统,大大提高了北京中心各个岗位以及决策指挥的效率和应急处置能力。

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  最新的飞控系统对原来的系统进行可升级和完善,增加了操作提醒功能。这个新功能既能通报即将开始的飞控操作,又能提供精确的倒计时,给调度指挥人员带来了很大的方便。

  作为嫦娥三号任务的飞控神经中枢,北京中心需要通过网络与十几个国内外测站进行实时数据交换和信息共享。然而,有网络的地方就有风险,一旦遭受干扰和侵袭,后果不堪设想。

  中心指控室机房中,网间隔离系统电脑显示屏上一条条绿色的网络信号传输曲线平稳运行。如果出现网络干扰,绿色的曲线会变成红色,还会发出报警声。这个系统实现了中心主任务系统与外网数据的双向过滤,任务数据出不去,外界干扰进不来,就像一个防火墙,为任务网提供安全防护,确保任务安全测控。

  惊心动魄的720秒

  从15公里高度到安全降落到月球表面,嫦娥三号完全要依靠自动控制,完成降低高度、测距、测速、确定合适的着陆地,那时将面临新的挑战,被称为最为惊心动魄的一个阶段动力下降段。

  这一阶段地面测控基本已经无能为力,完成这一阶段需要约12分钟。探测器系统副总指挥谭梅把这段时间称为黑色750秒。

  720秒内无法人工干预,探测器落月靠的是基于对月测速、测距和地形识别的GNC系统。GNC是制导、导航、控制三个词的缩写。导航可以让探测器知道自己所在的位置,制导可以规划路径,控制就是根据探测器的位置,按照目标完成着陆任务。GNC具有感知功能,可以看到月面的情况,测量到落月过程中探测器的姿态、速度、与月面的距离等,同时把各种信息汇集到中心计算机进行处理,再根据事先设定好的落月要求,对探测器进行控制。通过看见、测量、计算处理、控制执行,来指挥探测器落月。

嫦娥三号登月计划中自动化技术大盘点

  据悉,GNC团队研制了激光三维成像敏感器,用来代替人眼,在距离月面较近时获得待着陆区域精确的三维高程图信息,可精确分辨月面上比较小的障碍。同时,在距离月面较远时还增加了一个光学成像敏感器,用于在较大范围内识别较大尺寸的障碍。这样一套远近结合、粗精并用的接力避障策略,大大提高了着陆的安全性。

  GNC系统:为落月找路

  据了解,落月指的是着陆探测器自距离月面15千米高度的近月点开始,至降落到月面为止的全过程,这段过程需要制导、导航与控制(GNC分系统)三方面的完美结合,是区别于探月一期和以往卫星任务的根本。

  由于月球周围几乎没有大气,因此在落月过程中不能依靠降落伞,只能依靠发动机反推,以达到制动减速的目的。专家指出,由于地月距离远,测控延迟大,地面难以直接干预落月过程,只能依靠着陆器自主执行,这还是有相当难度的。

嫦娥三号登月计划中自动化技术大盘点

  落月过程需要GNC创造性地依次解决三大难题:认路选路辨路。具体说来,认路就是给着陆器自身定位,即依靠着陆器自身携带的设备来确定其相对于月面的位置姿态;选路就是要事先规划好路径免走冤枉路,也就是说设计一条着陆轨迹,在满足姿态、光照等约束条件下尽量减少燃料的消耗;辨路就是要分辨并躲避路上的坑洼之处,与国外落月过程相比,即在没有宇航员的情况下自主分辨月面障碍并主动避开障碍,保证着陆器安全降落。

  关于认路,着陆器面临的是一个几乎未知的目标月球。因此,着陆器需要有自问自答的能力,要求着陆器对被测的月面目标有去粗取精功能。为此,五院着陆器GNC团队全新研制了激光测距敏感器和微波测距测速敏感器两种不同谱段的相对导航敏感器,以适应不同飞行高度和飞行速度下对相对位置和速度测量精度的要求。多种测量信息融合导航算法也为落月过程的精确相对导航提供了保证。

  发动机动力灵活调节

  嫦娥三号探测器上一共有29台发动机,其中,7500牛变推力发动机直接决定着嫦娥三号奔月与落月的成败,且没有备份。月球表面没有空气,无法使用降落伞等空气摩擦产生阻力的方式对探测器进行减速。因此减速的实现只能依靠变推力发动机。

  7500牛变推力发动机是为嫦娥三号任务专门研制的。它的难度有多大?据嫦娥三号推进系统主任设计师金广明介绍,一般卫星的发动机最大推力只有490牛(发动机推力单位),神舟系列载人飞船发动机的推力也只有2500牛,由此看出7500牛发动机绝对是个大家伙。

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  它还能根据预定设计,进行变推力调节,这要求发动机必须灵活地调节动力,让探测器平稳地落到月面。在拥有巨大推力的同时,还要受重量、结构尺寸等条件限制,工作时产生的大量散热还不能影响探测器上仪器设备的正常工作,其设计难度可想而知。负责发动机研制的航天集团六院院长谭永华告诉记者,该发动机的相关试验进行了100多次,仅点火试验就累计达到6万多秒,就是为了确保它在轨工作的1200秒不出任何问题。

  月球车 我国最高智能机器人

  在执行任务期间,玉兔号将在月球表面自主行走巡视探测,对月表进行三维光学成像、红外光谱分析。此外,还将开展月壤厚度和结构科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析等。

  月球车上除了各种照相机、红外光谱仪和粒子激发X射线谱仪外,还在车底安装了雷达,将探测月球地表以下100米左右深度的地下结构。有专家指出,这是前人从未做过的,将对月球次表层探测作出贡献。

  月球车是我国最高智能机器人,集中了机器人的很多优势。月球车能完全自主导航,在月亮上可以根据照相机拍到的四周情况,自己决定该走哪条路、怎么走;可以自主避障,前面有大石头挡住了,过不去了,知道怎么避开这个障碍;还可以自动上坡下坡,能够走它就走,走不过去就绕着走,它挺聪明的。

嫦娥三号登月计划中自动化技术大盘点

  另外,月球车可以指挥身上的仪器,到了一个地方停下来,然后指挥身上的仪器探测月球。在月球车上有一台测土壤成分的仪器,叫粒子激发X射线谱仪。还有一台仪器用于测定月球土壤的各种矿物组成,叫红外光谱议,探测到的数据由月球车直接发回地球。

  月球车下装了一台雷达,可主动发射雷达波来探测二三十米厚的土壤、结构变化,同时还可以测地下100米深次表层的结构,这是世界上其他国家没有干过的。

  它一边走一边干活,把所有的结果告诉人类,这也是嫦娥三号在科学上的亮点,是很有意义的。

  后记

  在嫦娥三号之后,就要实施第三步的采样返回计划。那时的探测器不但需要着陆器,还要有能够将月壤、月岩样品带回来的返回舱,以及让返回舱飞离月面并准确返回降落的推进系统。整个探测器将比嫦娥三号大得多,要靠未来在海南发射的长征五号运载火箭才能发射。

  绕、落、回这三步,对于整个探月来说都属于探、登、驻这三大步中的第一步探。第二步登就要实施载人登月计划,这需要低轨道运载能力达到一百吨级的巨型运载火箭,可实施深空任务的载人飞船,以及载人的登月舱。这将是非常宏大的巨型工程项目。

  在载人登月之后,第三大步驻是指建立长期驻留的月球基地。那时的探月活动将从探测阶段进入到应用阶段。也许会产生更多的直接经济效益。但目前还没有解决月球长期驻留、地月往返的经济性等关键问题。

  虽然嫦娥三号设计任务是90天,但因为航天飞行任务都根据一些不确定因素而留有余量,因此我们大可期待它运行更长时间、更广范围。

作者:admin 来源:未知 发布于2019-09-11 15:12
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