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嫦娥四号首次实现月球背面着陆,上面搭载的“玉兔二号”成为第一辆踏上月背的月球车。“玉兔二号”2019年超过苏联的“月球车一号”成为了人类在月面工作最长的月球车。截至2021年1月,嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”月球车已经在月球工作749天,月球车累计行驶628.47米。在为我国航天事业自豪的同时,人们也好奇,玉兔二号究竟在月背干了什么?毕竟前有“玉兔号”的故障在前,“玉兔二号”又将如何完成使命?等等诸多问题的答案,现在已经有了答案。中国探月工程国家队、北京航天飞行控制中心撰写的《月背征途》,讲述了通往月背的旅程,以及在月面运行发生的惊心动魄的故事。本文节选自《月背征途》第五章《月背征途:“玉兔二号”驾驶日记》。
 
撰文 | 北京航天飞行控制中心
 
从成功登陆月背到“两器分离”,再到互拍成像,在充满未知和风险的月背之上,“玉兔二号”行走的每一步都如同在钢丝上跳舞,必须准之又准、慎之又慎。此后,“玉兔二号”将全面开启探险之旅,从搜罗让科学家“疯狂”的石头、发现神秘胶状物到探索未知的月球坑等,一系列月背大冒险即将上演。
 
第一次“休眠”
 
2019年1月11日,举国瞩目的“嫦娥四号”“两器互拍”落下了帷幕。忙碌了一整个月昼的“玉兔二号”也要准备“休眠”度过寒冷的月夜了,驾驶员们开始着手在地形图上寻找“休眠”点,但附近能够满足“休眠”的区域比较少。在经过反复测量计算后,驾驶员们选定了一块条件较好、可满足“休眠”姿态要求的区域,作为“玉兔二号”在月背的第一个“休眠”点。从地形图上看,这也几乎是附近唯一的“休眠”区域了。
一切就绪后,驾驶员们正准备按规划实施移动,却突然发现“鹊桥”中继星的高度偏低,如果“玉兔二号”向预定“休眠”方向行驶的话,安装在“玉兔二号”前方桅杆上的定向天线可能对尾部的全向接收天线产生遮挡,这样可能会造成地面短时间内失去对“玉兔二号”的控制,这样的局面是驾驶员们绝不想看到的。
 
然而看看前方唯一的一块黄色区域——“休眠区域”,“玉兔二号”似乎也没有别的选择。有人提出,我们可以将竖起的桅杆放倒,这样定向天线就能够随之卧倒在“玉兔二号”上,不会对全向接收天线造成遮挡了。这样的提议让大家眼前一亮,经过测算,这个方案可行。随即飞控中心发送指令将“玉兔二号”的桅杆放倒,随后移动指令发送,“玉兔二号”又一次“低着头”走向了“休眠”点。
 
来到了“休眠”位置,可不代表要马上“入睡”。按照工作规划,“玉兔二号”还需要在此地进行一次转向和科学探测。毕竟这是“玉兔二号”在月背的第一次“休眠”,所以驾驶员们特别谨慎。他们对月背的月壤质地还知之甚少,虽然现在姿态满足“休眠”要求,但就怕月壤土质太松软,原地转向对地势造成破坏性的影响,导致此地不再能满足“休眠”姿态要求怎么办?大家心里都有些忐忑,在完成了科学探测后,飞控中心又控制“玉兔二号”转到了“休眠”航向,遥测显示当前姿态与预估的姿态差别不大,可满足“玉兔二号”的“休眠”姿态要求,大家悬着的心才落下来。
 
1月13日3时39分,在驾驶员们的控制下,“玉兔二号”“休眠”状态设置完成,进入了月夜“休眠”模式,等待阳光将它唤醒。
 
科普时间·月球车为什么要“休眠”
 
对“玉兔二号”来说,“休眠”是一件大事。为什么月球车也要“休眠”呢?因为月球上面也有白天和黑夜之分,而且黑夜有 14 天,在这 14 天里,月面温度会降到接近-190℃,“玉兔二号”为了保护自己,必须进入“休眠”状态。地面要控制“玉兔二号”收起太阳翼,将月球车内部封闭起来,关闭所有仪器设备和载荷设备;同时,启动同位素热源为仪器舱供热,使仪器舱温度不低于-50℃,确保其中的设备不至于因为温度过低而造成损坏。
 
“休眠”时车体的朝向、姿态和帆板的角度都要精确计算。首先,车体要微微向后倾斜,因为“玉兔二号”的车轮上没有“手刹”装置,如果车体不倾斜,停在斜坡上时就容易“溜车”;另外,“玉兔二号”“休眠”时同位素热源是通过流体回路对车体进行加热的,倾斜也是为了让流体回路中的液体顺利地流通。其次,太阳翼的角度也要准确放置,这样可以保证“玉兔二号”在唤醒前先晒一会儿太阳。此外,“玉兔二号”要选在没有障碍物的空地上“休眠”,以免地形或车身挡住中继星通信,从而影响地面操控。
“玉兔二号”回望“嫦娥四号”。在测试系统总指挥的提一下,驾驶员们当了一次摄影师,操纵玉兔二号回头拍下了这张照片。
安全驾驶9条原则
 
“道路千万条,安全第一条”,有了驾驶“玉兔一号”的经历,遥操作团队对“玉兔二号”更是呵护有加,每一次路径规划、每一个状态确认都特别小心。
 
早在开展“嫦娥四号”任务前,飞控中心就组织进行了“玉兔一号”行驶过程数据复盘。“玉兔一号”定格在114.8米,我们应该吸取哪些教训呢?为了使复盘工作更加深入,飞控中心请来了探测器设计部门的月球车专家以及当年“玉兔一号”的驾驶员,共同对“玉兔一号”在月球上的每一步足迹特别是最后几步的行走过程做细致研究。最终形成以下结论性意见:一是光照对月面感知的影响较大;二是大曲率移动风险较高;三是在月面复杂路面上要能进也要能退。
 
这些看似简单的原则正是在充满风险的月面驾驶时必须要注意的。也正是这次对“玉兔一号”遥操作的复盘工作,制定了月面安全驾驶9条原则,为“玉兔二号”干得更久、走得更远打下了基础。
 
既然光照对月面感知的影响很大,那么为了确保路径规划前能看清楚月面地形,我们制定了相应的图像感知原则,避免由于光照原因导致移动方向上出现图像过曝或车体本体阴影较大的情况。若移动目标位置的地形不清晰或更换移动目标点,则需要进行重新感知,确保从当前位置到目标位置之间的地形情况清晰可见,能够为路径规划提供优质的图像信息。
 
“玉兔二号”在月面真实环境中的移动表现如何、月面实际地形对它的移动会产生哪些不可预知的影响、“玉兔二号”能否按照驾驶员规划的预期路径进行移动等都需要对它的实际移动效果进行评估。9条原则中的第3条是这样描述的:
 
每次移动后在导航点或中间点对行走效果进行评估,判断是否移动到位,可否按照原定策略及相应应急方案实施。移动未到位判断准则如下:
 
1.针对直线行走、原地转弯和曲线行走,地面监视判断遥测偏航角141 第 5 章 月背征途:“玉兔二号”驾驶日记与规划结果超过5°或遥测位置与规划结果偏差超过0.5米。
 
2.若该站点获得的视觉定位结果与规划位置距离偏差超过移动距离的10%。
 
如果地面判断出现“移动未到位”的情况,就要立即停止原规划方案,进入问题排查和紧急脱困状态,必要时退回到上一站点,确保“玉兔二号”的安全。
 
第3条安全驾驶原则对驾驶员来说至关重要,必须作为基本原则长期坚持。在“玉兔二号”后续1年多的行驶过程中,驾驶员们正是坚守了这9条原则才确保了“玉兔二号”在月背探险中不断奋勇前行。
 
短暂“失联”
 
月午期间为躲避高温,“玉兔二号”一般会“午休”,可是这个月午“玉兔二号”“睡”得并不踏实。
 
2019年6月4日上午8时20分,“玉兔二号”进入测控区后,值班人员发现虽然返向载波锁定,但“玉兔二号”的遥测依旧无法解析,地面和“玉兔二号”失去了联系。值班人员检查了“玉兔二号”前一晚的情况,一切正常,那“玉兔二号”到哪里去了呢?
现场人员迅速向值班总师汇报了这个情况,并与探测器系统取得了联系。经分析,最大可能是由于单粒子的干扰,使得地面和“鹊桥”中继星的信号被干扰了。
 
经过现场专家反复研究,决定首先对“鹊桥”中继星的对月解调器进行软复位操作,正是这个解调器承担着与“玉兔二号”通信的重要职能。两条指令发出去后,遥测还是没有恢复,所有人屏住呼吸,紧紧盯着屏幕。
 
突然,“玉兔二号”时间显示开始闪动,遥测恢复了!驾驶员们全面检查“玉兔二号”的状态,一切正常!刚刚紧张到凝固的空气终于开始流动了。经查,原因是测控区外单粒子击中了“鹊桥”中继星的遥测处理电路板,导致中继星对“玉兔二号”的遥测处理出现了问题。
 
这个月昼“玉兔二号”的短暂“失联”虽说是虚惊一场,但却提醒我们,太空环境复杂多变,要随时做好应对各种突发状况的准备,驾驶员不仅要车技一流,更要掌握机制,沉着应对。
 
科普时间·单粒子效应
 
单粒子效应是指单个空间高能带电粒子击中微电子器件灵敏区时,由于电离作用产生额外电荷,使电子器件逻辑状态改变、功能受到干扰或者失效。单粒子效应主要包括单粒子翻转、单粒子锁定和单粒子烧毁。
 
单粒子翻转是高能粒子轰击芯片中的逻辑电路,导致逻辑发生了翻转,即原值为0,轰击之后值翻转为1,值也可由1翻转为0。单粒子翻转导致的故障属于“软故障”,一般可以通过系统复位、重新加电或重新写入等恢复到正常状态。
 
单粒子锁定是单粒子入射产生的瞬态电流导致设备功能性损坏,单粒子烧毁则是通过造成短路而烧毁电路,这两种情况均可造成不可修复的伤害。
 
由于高性能的微电子器件被大量应用在航天器系统中,所以单粒子效应的危害十分严重,当它造成航天器控制系统的逻辑混乱时,可能会产生灾难性的后果。
神秘物质初探
 
上个月昼“玉兔二号”在月球背面的撞击坑中发现了神秘的胶状物质,这一发现让科学家和驾驶员们都兴奋不已。月夜期间,科学家们持续表达了对该物质探测的强烈需求,并设计了对照试验,选定了三个点要求进行科学探测。
飞控中心遥操作团队马不停蹄地开始进行方案设计,对撞击坑的深度和溅射物分布等都进行了仔细的测量。测量完毕,驾驶员们的脸色顿时凝重了起来,这个撞击坑的深度超过了30厘米,要是“玉兔二号”进去了,极有可能卡住底盘而无法上来,因此进坑探测成为一个必须避开的选项。但是探测物质正好位于坑的正中央,按照科学家们给的坐标,想要使红外成像光谱仪的视场覆盖该物质,
 
“玉兔二号”的前轮肯定要悬空进入坑里。坑边的月壤质地如何?会不会产生滑坡?坑边的溅射物那么多,对于航向会有什么影响?大家的心里都打起了鼓。驾驶员们经过反复讨论,最终确定了远距离调整航向,然后直线逼近探测的方案。这个方案对于驾驶员的设计能力和控制精度都是严峻的考验。失之毫厘,谬以千里,在远处调整好航向后,谁也无法保证逼近的过程中航向不会产生偏移,万一航向有偏差,或者行走过程中被溅射物改变了航向,那么所有的努力将功亏一篑。
 
计划排定后,月昼也如期而至。驾驶员首先让“玉兔二号”来到了探测起点,经过对撞击坑的再次探测,科学家重新提供了探测点的坐标,驾驶员经过再次精心计算和精准控制,使“玉兔二号”准确对准了探测点。
 
随后,驾驶员控制“玉兔二号”迈步向着探测坑前进,第一步走了28秒,“玉兔二号”来到前轮距离撞击坑几十厘米的地方,对撞击坑再次进行了探测。然后,“玉兔二号”又往前走,持续了8秒,这已经离撞击坑很近了,但根据探测成像的结果,距离探测物质的区域还有一小段距离。最后,驾驶员又小心翼翼地控制“玉兔二号”向前挪,持续了2秒,车轮的前沿已经抵达撞击坑的边缘了。根据测算,红外成像光谱仪的视场已经覆盖了探测物质的边缘,已经有物质进入了红外成像光谱仪的探测范围。
此时车轮压出的痕迹和推出的土堆都在画面上清晰可见。“玉兔二号”已经到达安全行驶的边界,不能再往前了。驾驶员们完成探测后,控制“玉兔二号”后退到了月午点,月昼的科学探测暂告一段落。
 
再探神秘物质
 
月午期间,科学家对上午取得的探测数据进行了分析,大家都翘首以盼,但得出的结论却令人泄气。虽然探测物质已经进入了红外成像光谱仪的视场,但由于物质自身的阴影较多,导致未能分析出物质成分,上午的探测最终铩羽而归。
 
经过这一番探索,大家多少有些沮丧,费这么大劲,还是没有达到科学家的要求,他们申请下午继续对该物质进行探测。但是此时距离出月午只有两天半的时间,科学家们认为上午的探测将光照和路径情况已经摸得很清楚了,再往前走10厘米应该就能轻松拿到数据了。
 
但是驾驶员们知道,现实远比想象严峻得多。下午太阳的位置变了,如果原路返回,太阳敏感器将全程失去作用,所以这个方案是不可行的。要想在下午实施探测,必须换个位置和方向重新开始,所有的方案也必须重新设计,而且由于月昼下午需要实施“休眠”,可探测的时间比上午更短,所有的工作必须精简压缩。就剩一个周末,方案必须在半天之内拿出来。测量、设计、定位、投影、复核、准备控制数据……
 
月午结束后,“玉兔二号”就快马加鞭地开始了下午的探测之旅。按照规划,第一步“玉兔二号”需要转向80°,这是一个已经进行了上百次的平常操作,但这次转向却只实施了很短的时间就结束了。驾驶员们多方查证后发现,在转向指令发出后不久,右前轮的角度超出了限制,因此判断“玉兔二号”的控制系统输入异常,实际只转了2°便中止了。这是“玉兔二号”的一种自我保护机制,防止车轮被小石子钩挂而对运动系统产生损伤,但却让地面上的驾驶员担心了半天。地面重新制订了转向参数进行上注,“玉兔二号”这次一点一点完成了预期的转向,太阳敏感器也显示可见,所有系统一切正常。
 
解决了转向未到位后,“玉兔二号”来到了探测起点,按照预定的探测计划,“玉兔二号”调整航向后向着探测点再次进发,很快来到了同月昼上午位置差不多的坑边。根据驾驶员的核算,此时“玉兔二号”的车轮距离撞击坑边沿还有10厘米左右,但是根据测算,再走10厘米,“玉兔二号”还是无法将红外成像光谱仪的视场覆盖到探测物质,科学家要求再往前走15厘米。但这15厘米,在驾驶员的心中却是一道重要的关口,这样“玉兔二号”的前轮悬空部分就已经探入了撞击坑,车轮受力的位置离坑边很近了,会不会滑坡?
 
所有人聚集在遥操作大厅,一轮艰难的讨论开始了,最后坚持科学探测的勇敢精神还是占了上风。驾驶员决定控制“玉兔二号”再往前走15厘米,“玉兔二号”的俯仰角变大了,红外视场看得更远了,探测物质已经进入了探测区域,但是从图像上看效果仍不理想。
 
此时科学家们提出还需要再往前走2~4秒。驾驶员几乎本能地说“不”!按照测算,此时车轮已经探进坑了,再往前走,车轮的中心将压到坑的边缘, 谁也不知道这个坑能不能受力。但已经来到了这里,一个巨大的宝库就在面前,无法取得理想的探测结果恐怕将是所有人的遗憾。
飞控中心遥操作大厅里再次出现了激烈的讨论,科学家们力陈此次探测的重要意义,驾驶员们则不停地测算这样实施的结果。时间一分一秒地过去了,太阳高度角越来越低,已经到了需要寻找“休眠”点的时候了,月面上的阴影也越来越长,再等下去将错失探测良机。
 
中科院空间中心的主任也给测控通信系统总指挥打来电话,表明想探测坑底神秘物质的强烈愿望。总指挥答复:“在确保‘玉兔’安全的情况下,我们一定要帮助科学家拿到需要的数据,这也是‘玉兔’探索月背奥秘的使命!”
 
驾驶员们在经过反复计算确认后决定再移动一次!于是再次用了3秒向前移动,遥测数据表明,俯仰角和滚动角都在朝着有利于探测的方向变化,控制实施得很精准,担心的滑坡没有出现。驾驶员们立即组织感知成像和探测下传,探测的结果出来了,在红外成像光谱仪的视场中有一块探测物质,探测结果终于满足了科学家们的要求。
 
“世之奇伟、瑰怪,非常之观,常在于险远,而人之所罕至焉。” 这个月昼,“玉兔二号”看似凌乱繁复的步伐为月球背面的荒凉增添了诸多人气和亮色,为人们讲述着人类的探索故事。
 
科普时间·首份月幔源物质初步证据
 
人类数十年来的探月工程揭示,月球表层即月壳以斜长石矿物为主,月壳覆盖着的月幔则可能富含镁铁质,然而多年来科学家一直难以探明月幔的详细结构。国际顶级学术期刊《自然》发表了一篇来自中国科学家的成果:中国的“嫦娥四号”月球探测器在月球背面的冯·卡门撞击坑着陆,并部署了“玉兔二号”月球车对南极艾特肯盆地进行探测,科学家利用可视的近红外成像光谱仪(VINS)的光谱初始观测结果推断出,月球表面存在的低钙辉石和橄榄石矿物可能起源于月球地幔。这也是人类首份发现月球背面月幔源物质的初步证据。
 
和太阳系中很多行星类似,月球被认为经历了岩浆海洋阶段。在这个阶段,月球大部分或完全处于熔融状态。有关月球早期演化的理论认为,月壳是由岩浆海洋中较轻的斜长石组上浮结晶形成,而如橄榄石矿物、低钙辉石等较重的矿物下沉形成月幔。然而,这一关于月幔组成的推论至今没有被完全证实。因此,探测南极艾特肯盆地一直是科学家们所期待的。
 
研究人员对“嫦娥四号”获取的高质量光谱数据分析研究后发现,光谱数据和典型的月球表面物质的光谱数据存在差异。这也就意味着,着陆点附近检测到的这些物质与从月球表面采集到的大多数样品明显不同。特别是这些材料含有镁铁质成分,主要是橄榄石和低钙辉石的混合物,高钙辉石的含量则极低。
 
研究人员据此推断,月球表面存在的低钙辉石和橄榄石矿物可能来自月球的上地幔。研究结果还证实了月幔富含橄榄石的推论的正确性,这对于确定月幔的组成具有重要的意义。从更广泛的意义上说,“嫦娥四号”的发现可能也会影响我们对月球内部形成和演化的理解。
 
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