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北京時間今晨4時35分,嫦娥三號着陸器與巡視器分離,“玉兔號”巡視器順利駛抵月球表面。
中國“玉兔”是一隻1米1高、1米5長、1米寬、體重140公斤的銀色“兔子”,有着一對太陽能帆板做翅膀,六隻輪子爲腳掌。在電視畫面中,人們可以看到它自如地越障、過坑、爬坡、休眠、喚醒,但卻很難想象它背後的種種機關。
測控數傳
九天探月一線牽
在幾十萬公里外的月球表面,嫦娥三號要實現與祖國的聯繫,要按要求完成自己的行程,就需要通過測控數傳分系統,將大量的科學數據傳回地面。如果說翱翔天際的太空探測器像風箏一樣,那麼,測控數傳分系統就是探測器繫着祖國的風箏線。
嫦娥三號巡視器天線輻射性能受環境影響大,面臨未知的月球表面狀態,工況複雜,風險極大。爲此,嫦娥三號探測器採用了新型天線設計方案,實現了天線半球空間全向高增益輻射性能。爲了降低天線受車體影響的程度,科研人員還爲天線增加了支架,支架採用碳纖維複合材料,可以有效減重、加強架構。
太陽翼
重複展開創紀錄
目前,國內航天器太陽翼展開大都是採用同一展開方向、一次性連續展開的方案;配備首個可重複展開的太陽翼,是“玉兔”號月球車的一大創新——月晝時月球車在月面行駛並進行一些科學探測活動,這時月球車上的太陽電池翼可以展開對日定向提供動力;月夜來臨,月球車停止行駛和工作進入睡眠狀態,爲防止其“腹腔”內的機電產品、設備完全暴露在極寒溫度下,太陽電池翼能夠自動收攏,猶如在“腹腔”上蓋了一條毯子,起到保溫的作用。
艙體
“小身板”大載荷
月球車結構機構分系統由結構、桅杆、太陽電池翼、機械臂四個子系統組成,其中組成巡視器的所有單機,均通過結構進行承載。
結構子系統的艙體安裝着各種儀器設備,其長1410毫米、寬820毫米、高651毫米,分爲上下兩層,下艙體安裝着電源、控制與驅動機構組件等設備,上艙體安裝着太陽翼、桅杆、太陽敏感器等設備。月球車的艙體僅是一副0.75立方米的“小身板”,卻承載着自身重量6倍的大載荷。
機械臂
3個自由度運動
月面巡視器的機械臂是中國機械臂家族中的“小個子”,它雖不長卻能實現3個自由度的運動,運動的精度更是能精確到正負2毫米。當它承載的X射線譜儀向地球發回第一份科學探測數據時,這個“小個子”一定不知道,自己已經被冠上“中國外星球探測第一臂”的美名。
傳統工業機械臂採用的都是模塊化設計,電、機產品分體組裝,往往帶來體積大、重量重的弊端,“奔月”肯定負擔重。經過充分調研和分析,設計師們採用機電一體化的設計解決了這個難題。
電源系統
月夜可自動休眠
月球的環境與地球不同,它的一個月夜長達14天。在沒有光照的漫長黑夜裏,對於依靠太陽能提供能量的着陸器和巡視器來說,如何依靠自身存儲的能量度過月夜將是一個很大的挑戰。因爲在這14天的月夜裏,如果僅僅依靠蓄電池提供能量,則需要自帶100安時容量以上的蓄電池,容量的增加,隨之帶來的是重量的上升。而重量是探測器研製的一個制約因素。面對這一難題,科研人員創新性的提出了休眠喚醒的概念。依靠休眠喚醒功能,着陸器和巡視器日出而作,日落而息,而不用爲能源的問題擔憂。
移動系統
在月面留下第一道車轍
月面上有着千奇百怪的地形地貌,起伏的山巒、崎嶇的高地、廣闊的平原,覆蓋着幾十釐米至幾十米不等的月壤,月壤鬆軟、乾燥,呈沙土狀,普通車輪很容易下陷或打滑,提高車輪的直徑和寬度勢必增加重量又不符合輕量化的設計要求。爲此,設計師爲“玉兔”打造了一副獨特的篩網輪,篩網輪的掛鉤牽引力、適應性、承載力等都顯示出很好的效果。爲保證巡視器的行駛和越障能力,月球車移動分系統採用了獨立轉向的構型方案,如果單側某一車輪越過200毫米高的障礙時,月球車能在差動機構和搖臂作用下被動適應月面地形,保證月球車所有車輪均與月面接觸,且整車擡起姿態相比一般汽車減小一半。即使行進間某個輪子被卡住,其他獨立驅動的車輪也能幫助月球車擺脫陷阱,繼續工作。
驅動機構
“腦袋”小精度高
月面巡視器在月面上的“巡視”依靠控制與驅動組件對整車所有活動部件的運動控制,控制與驅動機構組件其實就是巡視器的大小腦,其需要完成信息採集、控制算法、故障判斷與處理、功率驅動、信息交互、數據備份等功能來實現運動控制。傳統航天器靠運動控制類單機來實現運動控制,1臺單機最多能控制4個活動部件,而嫦娥三號月面巡視器僅用1.6千克的單機重量、7瓦功耗就實現了對多套機構的閉環驅動控制。
此外,傳統航天器的控制電路普遍都要使用碼盤,傳統碼盤根本無法適應月面上極端惡劣的溫度環境,爲此,設計師們創造性地設計了一種多傳感器數據融合及處理複用技術,難題迎刃而解。
密封圈
讓月塵無孔可入
爲適應月球表面從-180度到150度的“惡劣”環境,設計師們經過硬度、磨耗係數等數項測試,終於找到了合適的密封圈材料。
月面巡視探測器移動分系統、結構機構分系統共有六種不同尺寸的活動關節需要防塵密封,設計師們針對各關節對防塵密封圈的技術要求,再分別試驗考察密封圈的高低溫適應性、摩擦阻力矩、耐磨性、壽命等性能,最終交出了一份滿意答卷——主副脣雙密封層的創新設計、雙密封圈串聯安裝、密封脣過盈量優化,確保了防塵密封效果。
本版文字胡芳芳劉子仙陶禮炫潘佳音王濤
(來源:北京晚報)