嫦娥四號(hào)首次實(shí)現(xiàn)月球背面著陸，上面搭載的“玉兔二號(hào)”成為第一輛踏上月背的月球車。“玉兔二號(hào)”2019年超過蘇聯(lián)的“月球車一號(hào)”成為了人類在月面工作最長(zhǎng)的月球車。截至2021年1月，嫦娥四號(hào)著陸器和“玉兔二號(hào)”月球車已經(jīng)在月球工作749天，月球車?yán)塾?jì)行駛628.47米。在為我國(guó)航天事業(yè)自豪的同時(shí)，人們也好奇，玉兔二號(hào)究竟在月背干了什么？畢竟前有“玉兔號(hào)”的故障在前，“玉兔二號(hào)”又將如何完成使命？等等諸多問題的答案，現(xiàn)在已經(jīng)有了答案。中國(guó)探月工程國(guó)家隊(duì)、北京航天飛行控制中心撰寫的《月背征途》，講述了通往月背的旅程，以及在月面運(yùn)行發(fā)生的驚心動(dòng)魄的故事。本文節(jié)選自《月背征途》第五章《月背征途：“玉兔二號(hào)”駕駛?cè)沼洝贰?/span>
《月背征途》（北京科學(xué)技術(shù)出版社，2021年1月），點(diǎn)擊文末“原文鏈接”可購(gòu)買此書。點(diǎn)擊“在看”并發(fā)表您的感想至留言區(qū)，截至2021年2月14日中午12點(diǎn)，我們會(huì)選出2條留言，每人贈(zèng)書一本。
從成功登陸月背到“兩器分離”，再到互拍成像，在充滿未知和風(fēng)險(xiǎn)的月背之上，“玉兔二號(hào)”行走的每一步都如同在鋼絲上跳舞，必須準(zhǔn)之又準(zhǔn)、慎之又慎。此后，“玉兔二號(hào)”將全面開啟探險(xiǎn)之旅，從搜羅讓科學(xué)家“瘋狂”的石頭、發(fā)現(xiàn)神秘膠狀物到探索未知的月球坑等，一系列月背大冒險(xiǎn)即將上演。
一切就緒后，駕駛員們正準(zhǔn)備按規(guī)劃實(shí)施移動(dòng)，卻突然發(fā)現(xiàn)“鵲橋”中繼星的高度偏低，如果“玉兔二號(hào)”向預(yù)定“休眠”方向行駛的話，安裝在“玉兔二號(hào)”前方桅桿上的定向天線可能對(duì)尾部的全向接收天線產(chǎn)生遮擋，這樣可能會(huì)造成地面短時(shí)間內(nèi)失去對(duì)“玉兔二號(hào)”的控制，這樣的局面是駕駛員們絕不想看到的。
然而看看前方唯一的一塊黃色區(qū)域——“休眠區(qū)域”，“玉兔二號(hào)”似乎也沒有別的選擇。有人提出，我們可以將豎起的桅桿放倒，這樣定向天線就能夠隨之臥倒在“玉兔二號(hào)”上，不會(huì)對(duì)全向接收天線造成遮擋了。這樣的提議讓大家眼前一亮，經(jīng)過測(cè)算，這個(gè)方案可行。隨即飛控中心發(fā)送指令將“玉兔二號(hào)”的桅桿放倒，隨后移動(dòng)指令發(fā)送，“玉兔二號(hào)”又一次“低著頭”走向了“休眠”點(diǎn)。
來(lái)到了“休眠”位置，可不代表要馬上“入睡”。按照工作規(guī)劃，“玉兔二號(hào)”還需要在此地進(jìn)行一次轉(zhuǎn)向和科學(xué)探測(cè)。畢竟這是“玉兔二號(hào)”在月背的第一次“休眠”，所以駕駛員們特別謹(jǐn)慎。他們對(duì)月背的月壤質(zhì)地還知之甚少，雖然現(xiàn)在姿態(tài)滿足“休眠”要求，但就怕月壤土質(zhì)太松軟，原地轉(zhuǎn)向?qū)Φ貏?shì)造成破壞性的影響，導(dǎo)致此地不再能滿足“休眠”姿態(tài)要求怎么辦？大家心里都有些忐忑，在完成了科學(xué)探測(cè)后，飛控中心又控制“玉兔二號(hào)”轉(zhuǎn)到了“休眠”航向，遙測(cè)顯示當(dāng)前姿態(tài)與預(yù)估的姿態(tài)差別不大，可滿足“玉兔二號(hào)”的“休眠”姿態(tài)要求，大家懸著的心才落下來(lái)。
1月13日3時(shí)39分，在駕駛員們的控制下，“玉兔二號(hào)”“休眠”狀態(tài)設(shè)置完成，進(jìn)入了月夜“休眠”模式，等待陽(yáng)光將它喚醒。
“道路千萬(wàn)條，安全第一條”，有了駕駛“玉兔一號(hào)”的經(jīng)歷，遙操作團(tuán)隊(duì)對(duì)“玉兔二號(hào)”更是呵護(hù)有加，每一次路徑規(guī)劃、每一個(gè)狀態(tài)確認(rèn)都特別小心。
早在開展“嫦娥四號(hào)”任務(wù)前，飛控中心就組織進(jìn)行了“玉兔一號(hào)”行駛過程數(shù)據(jù)復(fù)盤?！坝裢靡惶?hào)”定格在114.8米，我們應(yīng)該吸取哪些教訓(xùn)呢？為了使復(fù)盤工作更加深入，飛控中心請(qǐng)來(lái)了探測(cè)器設(shè)計(jì)部門的月球車專家以及當(dāng)年“玉兔一號(hào)”的駕駛員，共同對(duì)“玉兔一號(hào)”在月球上的每一步足跡特別是最后幾步的行走過程做細(xì)致研究。最終形成以下結(jié)論性意見：一是光照對(duì)月面感知的影響較大；二是大曲率移動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較高；三是在月面復(fù)雜路面上要能進(jìn)也要能退。
這些看似簡(jiǎn)單的原則正是在充滿風(fēng)險(xiǎn)的月面駕駛時(shí)必須要注意的。也正是這次對(duì)“玉兔一號(hào)”遙操作的復(fù)盤工作，制定了月面安全駕駛9條原則，為“玉兔二號(hào)”干得更久、走得更遠(yuǎn)打下了基礎(chǔ)。
既然光照對(duì)月面感知的影響很大，那么為了確保路徑規(guī)劃前能看清楚月面地形，我們制定了相應(yīng)的圖像感知原則，避免由于光照原因?qū)е乱苿?dòng)方向上出現(xiàn)圖像過曝或車體本體陰影較大的情況。若移動(dòng)目標(biāo)位置的地形不清晰或更換移動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)，則需要進(jìn)行重新感知，確保從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置之間的地形情況清晰可見，能夠?yàn)槁窂揭?guī)劃提供優(yōu)質(zhì)的圖像信息。
“玉兔二號(hào)”在月面真實(shí)環(huán)境中的移動(dòng)表現(xiàn)如何、月面實(shí)際地形對(duì)它的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生哪些不可預(yù)知的影響、“玉兔二號(hào)”能否按照駕駛員規(guī)劃的預(yù)期路徑進(jìn)行移動(dòng)等都需要對(duì)它的實(shí)際移動(dòng)效果進(jìn)行評(píng)估。9條原則中的第3條是這樣描述的：
第3條安全駕駛原則對(duì)駕駛員來(lái)說至關(guān)重要，必須作為基本原則長(zhǎng)期堅(jiān)持。在“玉兔二號(hào)”后續(xù)1年多的行駛過程中，駕駛員們正是堅(jiān)守了這9條原則才確保了“玉兔二號(hào)”在月背探險(xiǎn)中不斷奮勇前行。
月午期間為躲避高溫，“玉兔二號(hào)”一般會(huì)“午休”，可是這個(gè)月午“玉兔二號(hào)”“睡”得并不踏實(shí)。
2019年6月4日上午8時(shí)20分，“玉兔二號(hào)”進(jìn)入測(cè)控區(qū)后，值班人員發(fā)現(xiàn)雖然返向載波鎖定，但“玉兔二號(hào)”的遙測(cè)依舊無(wú)法解析，地面和“玉兔二號(hào)”失去了聯(lián)系。值班人員檢查了“玉兔二號(hào)”前一晚的情況，一切正常，那“玉兔二號(hào)”到哪里去了呢？
現(xiàn)場(chǎng)人員迅速向值班總師匯報(bào)了這個(gè)情況，并與探測(cè)器系統(tǒng)取得了聯(lián)系。經(jīng)分析，最大可能是由于單粒子的干擾，使得地面和“鵲橋”中繼星的信號(hào)被干擾了。
經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)專家反復(fù)研究，決定首先對(duì)“鵲橋”中繼星的對(duì)月解調(diào)器進(jìn)行軟復(fù)位操作，正是這個(gè)解調(diào)器承擔(dān)著與“玉兔二號(hào)”通信的重要職能。兩條指令發(fā)出去后，遙測(cè)還是沒有恢復(fù)，所有人屏住呼吸，緊緊盯著屏幕。
突然，“玉兔二號(hào)”時(shí)間顯示開始閃動(dòng)，遙測(cè)恢復(fù)了！駕駛員們?nèi)鏅z查“玉兔二號(hào)”的狀態(tài)，一切正常！剛剛緊張到凝固的空氣終于開始流動(dòng)了。經(jīng)查，原因是測(cè)控區(qū)外單粒子擊中了“鵲橋”中繼星的遙測(cè)處理電路板，導(dǎo)致中繼星對(duì)“玉兔二號(hào)”的遙測(cè)處理出現(xiàn)了問題。
這個(gè)月晝“玉兔二號(hào)”的短暫“失聯(lián)”雖說是虛驚一場(chǎng)，但卻提醒我們，太空環(huán)境復(fù)雜多變，要隨時(shí)做好應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況的準(zhǔn)備，駕駛員不僅要車技一流，更要掌握機(jī)制，沉著應(yīng)對(duì)。
單粒子效應(yīng)是指單個(gè)空間高能帶電粒子擊中微電子器件靈敏區(qū)時(shí)，由于電離作用產(chǎn)生額外電荷，使電子器件邏輯狀態(tài)改變、功能受到干擾或者失效。單粒子效應(yīng)主要包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定和單粒子燒毀。
飛控中心遙操作團(tuán)隊(duì)馬不停蹄地開始進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對(duì)撞擊坑的深度和濺射物分布等都進(jìn)行了仔細(xì)的測(cè)量。測(cè)量完畢，駕駛員們的臉色頓時(shí)凝重了起來(lái)，這個(gè)撞擊坑的深度超過了30厘米，要是“玉兔二號(hào)”進(jìn)去了，極有可能卡住底盤而無(wú)法上來(lái)，因此進(jìn)坑探測(cè)成為一個(gè)必須避開的選項(xiàng)。但是探測(cè)物質(zhì)正好位于坑的正中央，按照科學(xué)家們給的坐標(biāo)，想要使紅外成像光譜儀的視場(chǎng)覆蓋該物質(zhì)，
“玉兔二號(hào)”的前輪肯定要懸空進(jìn)入坑里?？舆叺脑氯蕾|(zhì)地如何？會(huì)不會(huì)產(chǎn)生滑坡？坑邊的濺射物那么多，對(duì)于航向會(huì)有什么影響？大家的心里都打起了鼓。駕駛員們經(jīng)過反復(fù)討論，最終確定了遠(yuǎn)距離調(diào)整航向，然后直線逼近探測(cè)的方案。這個(gè)方案對(duì)于駕駛員的設(shè)計(jì)能力和控制精度都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。失之毫厘，謬以千里，在遠(yuǎn)處調(diào)整好航向后，誰(shuí)也無(wú)法保證逼近的過程中航向不會(huì)產(chǎn)生偏移，萬(wàn)一航向有偏差，或者行走過程中被濺射物改變了航向，那么所有的努力將功虧一簣。
計(jì)劃排定后，月晝也如期而至。駕駛員首先讓“玉兔二號(hào)”來(lái)到了探測(cè)起點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)撞擊坑的再次探測(cè)，科學(xué)家重新提供了探測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，駕駛員經(jīng)過再次精心計(jì)算和精準(zhǔn)控制，使“玉兔二號(hào)”準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)了探測(cè)點(diǎn)。
隨后，駕駛員控制“玉兔二號(hào)”邁步向著探測(cè)坑前進(jìn)，第一步走了28秒，“玉兔二號(hào)”來(lái)到前輪距離撞擊坑幾十厘米的地方，對(duì)撞擊坑再次進(jìn)行了探測(cè)。然后，“玉兔二號(hào)”又往前走，持續(xù)了8秒，這已經(jīng)離撞擊坑很近了，但根據(jù)探測(cè)成像的結(jié)果，距離探測(cè)物質(zhì)的區(qū)域還有一小段距離。最后，駕駛員又小心翼翼地控制“玉兔二號(hào)”向前挪，持續(xù)了2秒，車輪的前沿已經(jīng)抵達(dá)撞擊坑的邊緣了。根據(jù)測(cè)算，紅外成像光譜儀的視場(chǎng)已經(jīng)覆蓋了探測(cè)物質(zhì)的邊緣，已經(jīng)有物質(zhì)進(jìn)入了紅外成像光譜儀的探測(cè)范圍。
此時(shí)車輪壓出的痕跡和推出的土堆都在畫面上清晰可見?！坝裢枚?hào)”已經(jīng)到達(dá)安全行駛的邊界，不能再往前了。駕駛員們完成探測(cè)后，控制“玉兔二號(hào)”后退到了月午點(diǎn)，月晝的科學(xué)探測(cè)暫告一段落。
經(jīng)過這一番探索，大家多少有些沮喪，費(fèi)這么大勁，還是沒有達(dá)到科學(xué)家的要求，他們申請(qǐng)下午繼續(xù)對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。但是此時(shí)距離出月午只有兩天半的時(shí)間，科學(xué)家們認(rèn)為上午的探測(cè)將光照和路徑情況已經(jīng)摸得很清楚了，再往前走10厘米應(yīng)該就能輕松拿到數(shù)據(jù)了。
但是駕駛員們知道，現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比想象嚴(yán)峻得多。下午太陽(yáng)的位置變了，如果原路返回，太陽(yáng)敏感器將全程失去作用，所以這個(gè)方案是不可行的。要想在下午實(shí)施探測(cè)，必須換個(gè)位置和方向重新開始，所有的方案也必須重新設(shè)計(jì)，而且由于月晝下午需要實(shí)施“休眠”，可探測(cè)的時(shí)間比上午更短，所有的工作必須精簡(jiǎn)壓縮。就剩一個(gè)周末，方案必須在半天之內(nèi)拿出來(lái)。測(cè)量、設(shè)計(jì)、定位、投影、復(fù)核、準(zhǔn)備控制數(shù)據(jù)……
月午結(jié)束后，“玉兔二號(hào)”就快馬加鞭地開始了下午的探測(cè)之旅。按照規(guī)劃，第一步“玉兔二號(hào)”需要轉(zhuǎn)向80°，這是一個(gè)已經(jīng)進(jìn)行了上百次的平常操作，但這次轉(zhuǎn)向卻只實(shí)施了很短的時(shí)間就結(jié)束了。駕駛員們多方查證后發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)向指令發(fā)出后不久，右前輪的角度超出了限制，因此判斷“玉兔二號(hào)”的控制系統(tǒng)輸入異常，實(shí)際只轉(zhuǎn)了2°便中止了。這是“玉兔二號(hào)”的一種自我保護(hù)機(jī)制，防止車輪被小石子鉤掛而對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生損傷，但卻讓地面上的駕駛員擔(dān)心了半天。地面重新制訂了轉(zhuǎn)向參數(shù)進(jìn)行上注，“玉兔二號(hào)”這次一點(diǎn)一點(diǎn)完成了預(yù)期的轉(zhuǎn)向，太陽(yáng)敏感器也顯示可見，所有系統(tǒng)一切正常。
解決了轉(zhuǎn)向未到位后，“玉兔二號(hào)”來(lái)到了探測(cè)起點(diǎn)，按照預(yù)定的探測(cè)計(jì)劃，“玉兔二號(hào)”調(diào)整航向后向著探測(cè)點(diǎn)再次進(jìn)發(fā)，很快來(lái)到了同月晝上午位置差不多的坑邊。根據(jù)駕駛員的核算，此時(shí)“玉兔二號(hào)”的車輪距離撞擊坑邊沿還有10厘米左右，但是根據(jù)測(cè)算，再走10厘米，“玉兔二號(hào)”還是無(wú)法將紅外成像光譜儀的視場(chǎng)覆蓋到探測(cè)物質(zhì)，科學(xué)家要求再往前走15厘米。但這15厘米，在駕駛員的心中卻是一道重要的關(guān)口，這樣“玉兔二號(hào)”的前輪懸空部分就已經(jīng)探入了撞擊坑，車輪受力的位置離坑邊很近了，會(huì)不會(huì)滑坡？
所有人聚集在遙操作大廳，一輪艱難的討論開始了，最后堅(jiān)持科學(xué)探測(cè)的勇敢精神還是占了上風(fēng)。駕駛員決定控制“玉兔二號(hào)”再往前走15厘米，“玉兔二號(hào)”的俯仰角變大了，紅外視場(chǎng)看得更遠(yuǎn)了，探測(cè)物質(zhì)已經(jīng)進(jìn)入了探測(cè)區(qū)域，但是從圖像上看效果仍不理想。
此時(shí)科學(xué)家們提出還需要再往前走2～4秒。駕駛員幾乎本能地說“不”！按照測(cè)算，此時(shí)車輪已經(jīng)探進(jìn)坑了，再往前走，車輪的中心將壓到坑的邊緣， 誰(shuí)也不知道這個(gè)坑能不能受力。但已經(jīng)來(lái)到了這里，一個(gè)巨大的寶庫(kù)就在面前，無(wú)法取得理想的探測(cè)結(jié)果恐怕將是所有人的遺憾。
飛控中心遙操作大廳里再次出現(xiàn)了激烈的討論，科學(xué)家們力陳此次探測(cè)的重要意義，駕駛員們則不停地測(cè)算這樣實(shí)施的結(jié)果。時(shí)間一分一秒地過去了，太陽(yáng)高度角越來(lái)越低，已經(jīng)到了需要尋找“休眠”點(diǎn)的時(shí)候了，月面上的陰影也越來(lái)越長(zhǎng)，再等下去將錯(cuò)失探測(cè)良機(jī)。
中科院空間中心的主任也給測(cè)控通信系統(tǒng)總指揮打來(lái)電話，表明想探測(cè)坑底神秘物質(zhì)的強(qiáng)烈愿望?？傊笓]答復(fù)：“在確保‘玉兔’安全的情況下，我們一定要幫助科學(xué)家拿到需要的數(shù)據(jù)，這也是‘玉兔’探索月背奧秘的使命！”
駕駛員們?cè)诮?jīng)過反復(fù)計(jì)算確認(rèn)后決定再移動(dòng)一次！于是再次用了3秒向前移動(dòng)，遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，俯仰角和滾動(dòng)角都在朝著有利于探測(cè)的方向變化，控制實(shí)施得很精準(zhǔn)，擔(dān)心的滑坡沒有出現(xiàn)。駕駛員們立即組織感知成像和探測(cè)下傳，探測(cè)的結(jié)果出來(lái)了，在紅外成像光譜儀的視場(chǎng)中有一塊探測(cè)物質(zhì)，探測(cè)結(jié)果終于滿足了科學(xué)家們的要求。
“世之奇?zhèn)ァ⒐骞?，非常之觀，常在于險(xiǎn)遠(yuǎn)，而人之所罕至焉?！?這個(gè)月晝，“玉兔二號(hào)”看似凌亂繁復(fù)的步伐為月球背面的荒涼增添了諸多人氣和亮色，為人們講述著人類的探索故事。
人類數(shù)十年來(lái)的探月工程揭示，月球表層即月殼以斜長(zhǎng)石礦物為主，月殼覆蓋著的月幔則可能富含鎂鐵質(zhì)，然而多年來(lái)科學(xué)家一直難以探明月幔的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了一篇來(lái)自中國(guó)科學(xué)家的成果：中國(guó)的“嫦娥四號(hào)”月球探測(cè)器在月球背面的馮·卡門撞擊坑著陸，并部署了“玉兔二號(hào)”月球車對(duì)南極艾特肯盆地進(jìn)行探測(cè)，科學(xué)家利用可視的近紅外成像光譜儀（VINS）的光譜初始觀測(cè)結(jié)果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源于月球地幔。這也是人類首份發(fā)現(xiàn)月球背面月幔源物質(zhì)的初步證據(jù)。
和太陽(yáng)系中很多行星類似，月球被認(rèn)為經(jīng)歷了巖漿海洋階段。在這個(gè)階段，月球大部分或完全處于熔融狀態(tài)。有關(guān)月球早期演化的理論認(rèn)為，月殼是由巖漿海洋中較輕的斜長(zhǎng)石組上浮結(jié)晶形成，而如橄欖石礦物、低鈣輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而，這一關(guān)于月幔組成的推論至今沒有被完全證實(shí)。因此，探測(cè)南極艾特肯盆地一直是科學(xué)家們所期待的。
研究人員對(duì)“嫦娥四號(hào)”獲取的高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)分析研究后發(fā)現(xiàn)，光譜數(shù)據(jù)和典型的月球表面物質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)存在差異。這也就意味著，著陸點(diǎn)附近檢測(cè)到的這些物質(zhì)與從月球表面采集到的大多數(shù)樣品明顯不同。特別是這些材料含有鎂鐵質(zhì)成分，主要是橄欖石和低鈣輝石的混合物，高鈣輝石的含量則極低。
研究人員據(jù)此推斷，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能來(lái)自月球的上地幔。研究結(jié)果還證實(shí)了月幔富含橄欖石的推論的正確性，這對(duì)于確定月幔的組成具有重要的意義。從更廣泛的意義上說，“嫦娥四號(hào)”的發(fā)現(xiàn)可能也會(huì)影響我們對(duì)月球內(nèi)部形成和演化的理解。
聯(lián)系客服
