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玉兔号月球车

玉兔号月球车,是中国首辆月球探测车,和嫦娥三号着陆器共同组成嫦娥三号探测器。玉兔号月球车设计质量140千克,能源为太阳能,能够耐受月球表面真空、强辐射、摄氏零下180度到零上150度极限温度等极端环境。月球车具备20度爬坡、20厘米越障能力,并配备有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器。

2013年12月2日1时30分,中国在西昌卫星发射中心长征三号乙运载火箭成功将嫦娥三号探测器送入轨道。2013年12月15日4时35分,嫦娥三号着陆器与巡视器分离,玉兔号月球车顺利驶抵月球表面。2013年12月15日23时45分完成玉兔号围绕嫦娥三号着陆器旋转拍照,并传回照片。2014年1月25日凌晨,嫦娥三号月球车进入第二次月夜休眠。但在休眠前,受复杂月面环境的影响,月球车的机构控制出现异常。2014年2月10日,第一次玉兔号唤醒失败。2014年2月12日夜,玉兔号月球车已全面苏醒,状态趋于好转,但是如果出现问题的“机构”仍然有待进一步恢复。

名称玉兔号月球车研制国家中华人民共和国
发射时间2013年12月2日1时30分着陆时间2013年12月14日21时11分
踏上月面2013年12月15日4时35分发射场西昌卫星发射中心
运载工具长征三号乙增强型运载火箭

嫦娥三号简介

嫦娥三号是中国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。这是中国航天器首次地外天体软着陆,此次探月将为中国航天员登月打下基础。嫦娥三号任务作为探月工程二期主任务,是‘绕、落、回’三步走中的关键一步,对整个探月工程乃至航天事业的发展具有重要意义。中国分别于2007年、2010年成功发射嫦娥一号探月卫星嫦娥二号探月卫星

探测器构成由着陆器和巡视器组成,肩负着中国航天器首次地外天体软着陆的重任。着陆器将“怀抱”玉兔号巡视器落月,然后玉兔号月球车驶离着陆器在月面进行为期约3个月的科学探测。着陆器则在着陆地点进行就位探测。

嫦娥三号任务是中国航天器首次地外天体软着陆,使用了多项新研产品和技术,创新性强,技术复杂,难度极高,风险巨大,责任重大,使命光荣。工程全线要发扬大力协同的优良传统,坚定信心,团结奋战,攻坚克难,严慎细实,高标准、高质量、高效率完成后续工作,确保任务圆满成功,再创中国航天事业新的里程碑,为实现航天梦、中国梦做出新的更大贡献。

“玉兔”号名字的由来

2013年11月26日上午9时,国防科技工业局举行新闻发布会,宣布“嫦娥三号”月球车名称为“玉兔号”。

命名征集

从2013年9月25日征名活动启动开始至2013年10月25日,新华网、腾讯网共收到名称方案19.31万件,2013年10月26日,来自社会各界的14位评审委员分别从文化内涵、航天事业、民族特征、创意等角度进行评审,经过多轮投票,最终选出玉兔号、探索号、揽月号、钱学森号、追梦号、寻梦号、追月号、梦想号、使命号、前进号10个名称进入为期一周的网友投票。

投票阶段网友踊跃依然,原定6天时间的投票在网友要求下延长4天。在10天的网上投票过程中,共计收到有效投票3445249张。其中,玉兔号得票649956张,排名第一;钱学森号得票609631张,排名第二;揽月号得票526606张,排名第三;寻梦号得票473096张,排名第四;前进号得票464984张,排名第五;探索号得票227764张,排名第六;追梦号得票183898张,排名第七;梦想号得票117927张,排名第八;追月号得票103377张,排名第九;使命号得票88010张,排名第十。

名字的含义

“月球车的名称,充分体现了全国人民乃至全球华人的意愿,富有时代性、民族性、群众性。”李本正说:“对征集收到的名称,组织了由科技专家和文化专家组成的评委会,依次进行入围初评、网上投票和终审评审,选出了10个入围名称。收到有效投票344.52万余张,其中‘玉兔’号64.99万余张,得票第一,并通过终审评审。”

李本正说,在中华民族神话传说中,嫦娥怀抱玉兔奔月。玉兔善良、纯洁、敏捷的形象与月球车的构造、使命既形似又神似,反映了我国和平利用太空的立场。

“大众的广泛参与和评论饱含着民族文化的深厚内涵和对中国航天的丰富情感。”李本正说:“也有不少网友为月球车命名钱学森号,体现了公众对我国航天事业奠基者的深切缅怀。”

结构设计

玉兔号月球车,呈长方形盒状,长1.5米,宽1米,高1.1米,周身金光闪闪,耀眼夺目。黄金甲是为了反射月球白昼的强光,降低昼夜温差,同时阻挡宇宙中各种高能粒子的辐射,支持和保护月球车的腹中“秘器”——红外成像光谱仪、激光点阵器等10多套科学探测仪器。

肩部有两片可以打开的太阳能电池帆板,她的腿部是六个轮状的移动装置,“玉兔号”对“车轮”要求极高。研制中,科研人员曾拿出四轮、六轮、八轮以及履带式等几十种方案。最终,确定为“六轮独立驱动,四轮独立转向”的方案。“玉兔号”上装有一个地月对话通讯天线;头顶的导航相机与前后方的避障相机;负责钻孔、研磨和采样的机械臂。

中国探月工程总设计师吴伟仁介绍:“玉兔号”实现了全部“中国制造”,国产率达99.9%。

玉兔号月球车结构图

图:玉兔号月球车结构图(图片来自腾讯网)

“玉兔号”月球车8个分系统——“玉兔号”月球车由移动、导航控制、电源、热控、结构与机构、综合电子、测控数传、有效载荷8个分系统组成,被形象称之为“八仙过海,各显神通”。

移动分系统:采用轮式、摇臂悬架方案,具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20度爬坡、20厘米越障能力;

导航控制分系统:携带有相机及大量传感器,在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后,可通过地面或车内装置,确定速度、规划路径、紧急避障、控制运动、监测安全;

电源分系统:由两个太阳电池阵、一组锂离子电池组、休眠唤醒模块、电源控制器组成,利用太阳能为车上仪器和设备提供电源;

热控分系统:利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源,可使月球车工作时舱内温度控制在+55℃~-20℃之间;

结构与机构分系统:由结构和太阳翼机械部分、桅杆、机械臂构成,主要为各种仪器、设备、有效载荷提供工作平台;

综合电子分系统:将中心计算机、驱动模块、处理模块等集中一体化,采用实时操作系统,实现遥测遥控、数据管理、导航控制、移动与机构的驱动控制等功能;

测控数传分系统:保证月球车与地球38.4万公里的通信以及与着陆器之间的通信;

有效载荷分系统:月球车配备的科学探测仪器,包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等。

月面移动

玉兔号月球车具备20度爬坡、20厘米越障能力,可耐受330摄氏度温差。月球重力约为地球的六分之一,表面土壤非常松软,凹凸不平,有石块、有陨石坑,还有陡峭的高坡。在这种环境中,月球车既不能打滑,更不能翻车。为了克服这些困难,“玉兔号”上有全景相机和导航相机,总计是四台。

通过相机“观察”周围环境,对月面障碍进行感知和识别,然后对巡视的路径进行规划。遇到超过20度的斜坡、高于20厘米的石块或直径大于2米的撞击坑,能够自主判断安全避让。月球车在月面“行走”风险重重,月壤细粒会大量扬起,形成月尘,一旦附着很难清除。月尘可能引起月球车很多故障,包括机械结构卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等。

在月表形貌综合模拟试验控制室,为模拟月球环境,科研人员特地从长白山运回与月球表面物质成分相近的火山灰,并通过钢丝吊挂月球车,模拟微重力环境。经过测试,“玉兔号在月面巡视时采取自主导航和地面遥控的组合模式,不仅可以自主前进、转弯、后退,还可以原地打转、横向侧摆,确保在危机四伏的月面上畅行无阻。”

休眠模式

由于月球昼夜温差非常大,白昼时温度高达150摄氏度,黑夜时低至零下180摄氏度。为适应极端环境,玉兔号月球车利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源,可耐受300摄氏度的温差。月球绕地球转一圈需要28天多,月球自转也是28天。这意味着,月球上的一昼夜相当于地球上的28天。月面夜间最低温度可以降至零下180摄氏度,电子设备根本无法工作。月球上的一晚上相当于地球上的14天。为此,科研人员为“玉兔号”设计了休眠模式——14天工作,14天“睡觉”。

该“睡觉”时自动进入休眠状态养精蓄锐,该“起床”时又能自动唤醒重新投入工作。这种“日出而作,日入而息”的规律作息,极大地增强了“玉兔号”适应月表恶劣环境的生存能力。

经历极低温度后,“月夜唤醒”是一个难题。科研人员为月球车设计了可伸缩的太阳能电池帆板,白天工作时展开,夜晚则收起来,将仪器设备包在里面。这种“包裹式睡眠”,有助于保护各种仪器不被冻坏,确保月球车有剩余电力“自主醒来”,重新展开太阳能电池帆板迎接阳光。

白天时,玉兔号月球车的太阳能电池帆板还要调整角度,避免被阳光照射得太热。最热的月午,月球车还要进行“午休”。玉兔号月球车设计寿命3个月,这意味着她要经历3个月球白天和3个月球黑夜。所有的工作,要在月球时间的“上午”和“下午”完成。

月面着陆

踏上月球

2013年12月15日4时35分,嫦娥三号着陆器与巡视器分离,“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。

2013年12月14日21时11分,嫦娥三号成功着陆在月球西经19.5度、北纬44.1度的虹湾以东区域,随即按计划开展了着陆器与巡视器分离各项准备工作。

2013年12月14日23时45分,地面科技人员对两器分离的实施条件,包括着陆点环境参数、设备状态、太阳入射角度等,进行了最终检查确认。随后,向嫦娥三号发送指令,两器分离开始。

2013年12月14日,北京航天飞行控制中心飞控大厅屏幕上,嫦娥三号着陆器安然挺立在月面,太阳翼呈展开状态。“玉兔号”巡视器立于着陆器顶部,展开太阳翼,伸出桅杆。

“巡视器移动至转移机构条件确认。”3时10分,巡视器开始向转移机构缓慢移动。

“巡视器移动到位。”4时06分,转移机构正常解锁,托举着巡视器轻轻展开、降落,接触月面,并在着陆器与月面之间搭起了一架斜梯。

玉兔号月球车成功踏上月面

图:玉兔号月球车成功踏上月面

随后,“玉兔号”沿着斜梯款步而下。4时35分,“玉兔号”踏上月球,在月面印出一道深深的痕迹。着陆器监视相机完整地记录下这一过程,并及时将成像数据传回地面。

着陆地点

月球上有很多地方以“海”“洋”命名。古人望月,以为看到的是海,其实不是。虹湾区位于月球北纬43度左右、西经31度左右,南北长约100公里、东西长约300公里。月球车探测的只是虹湾区的一部分,大约5平方公里。之所以选择在虹湾区落月是出于多种综合因素的考虑,一是这里比较平坦,落月比较安全,二是尚未有人类探测过,科学价值更高,三是能实现正面直接测控通讯,四是太阳光照较好,能保证探测器的太阳能电池板正常工作。

着陆过程

着陆器通过反推发动机缓冲,在月面上徐徐降落,舱门缓缓打开,弹出斜梯。月球车缓缓舒展蜷缩的身体,调整好姿态,走出舱门,滑下斜梯,开始漫步月球……此前,“玉兔号”月球车由着陆器背负,通过光学、微波等敏感器测量,在月球上空悬停、平移、避障,选择最佳着陆点安全降落月球表面。在这个过程中,着陆器将采取路径优、燃料省、误差小的模式实现安全着陆。

“玉兔号”月球车可以依靠自主导航,选路线、上下坡、避障碍,走走停停,边走边“看”,并把探测到的数据自动传回地球,帮助人类直接准确地了解38万公里外的月亮。“玉兔号”月球车底部安装了一台测月雷达,可发射雷达波探测二三十米厚的月壤结构,还可以对月球下面100米深的地方进行探测。

有限的时间,迫使“玉兔号”月球车高效工作——依靠各种先进设备,对月表进行三维光学成像、红外光谱分析,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,等等。

科学进展

月壤探测

2014年1月14日21时45分,在北京航天飞行控制中心精确控制下,“玉兔”号月球车舒展“玉兔之手”——机械臂,对脚下月壤成功实施首次月面科学探测。这次探测任务的成功,标志着中国突破了月面高精度机械臂遥操作控制技术,实现了38万公里之外的机械臂毫米级精确控制。”

由于受“玉兔”号月球车活动维度限制和避障因素影响,“玉兔之手”完成对一个预定目标点的探测,一般要经过十七、八个操作步骤,几乎每一步操作都要经过极其精密的计算。2013年12月23日凌晨,北京航天飞行控制中心曾控制机械臂进行投放测试,目的是为此次月壤元素成分探测以及其他科学探测工作做先期技术验证。

2014年1月19日,嫦娥三号探测取得阶段性成果 “玉兔”号探到月表下140米。在北京航天飞行控制中心遥操作厅,机械臂控制软件设计师荣志飞说:“此次探测的精度要求高,操作控制难度大,就如同控制38万公里之外的‘手’穿针引线,稍有偏差就会前功尽弃。”

巡视探测

嫦娥三号着陆器上的月基天文望远镜,在近紫外波段对各种天体变源的亮度变化进行连续监测,观测到23颗星象。“玉兔号”月球车上的全景相机在多点对着陆器进行成像,并对巡视器周围月面进行360度环拍,获取了多幅图像数据。测月雷达获得两个通道探测数据,分别探到了月表下140米内和10米内的浅层结构。这些科学探测数据为建立巡视探测区地形地貌、地质构造,物质成分和浅层结构于一体的综合地质剖面,以及区域地球化学与构造动力学研究打下了基础。

科学发现

玉兔号月球探测车在C1陨石坑周边进行了114米的地质实测,取得了丰富而珍贵的月球地质资料。众多科学家根据这些资料工作的成果,发表在了世界顶级科学期刊《科学》(Science)上。由“玉兔”车携带的测月雷达探测到的数据显示,嫦娥三号着陆区表面下至少分为9层结构,这表明在那里曾有多个地质学过程发生,对于探索月球的岩浆演化历史和后期改造作用具有非常重要的意义。这也是中国嫦娥探月工程实施以来,首次在国际顶级学术期刊上发表科学成果。

发生故障

控制异常

2014年1月25日在进入第二个月夜休眠前,中国第一辆月球车“玉兔”号受复杂月面环境的影响,月球车的机构控制出现异常。此前嫦娥三号着陆器在2014年1月24号凌晨进入了梦乡,但是在自主唤醒后的第二个月昼期间,嫦娥三号探测器上的科学载荷已经陆续地开始科学探测任务。着陆器上的月基光学望远镜也开展了观天探测,极紫外相机对地球等离子体层也进行了观测。这两项都为世界上首次月面发展的探测活动。 此外,两器之间还开展了UHF等通讯实验,月球车在此期间还进行了巡视,在多个探测点都开展了相关的探测工作,测月雷达、全景相机、粒子激发X射线谱仪、红外成像光谱议都取得了大量的科学探测数据。

但是在第二次月夜休眠之前,因为月面环境比较复杂,有零下180度的温度等等的这些各种因素的影响,月球车的机构控制出现了异常,有关方面正在组织专家进行排查。据了解,月球车上包含氢、氦、锂等至少40多种化学元素,在今天实验阶段又涉及到另外的几种元素。自2013年12月14号嫦娥三号实现月面软着陆以来,其实着陆器和月球车已经完成了两个月昼夜期间的工作,也期待着它能尽快恢复正常。

网友祈福

持续关注中国玉兔号月球车动态的@NASA中文(并非NASA官方中文微博)在微博上评论,玉兔本来就属于月球”,并附蜡烛图案示意悼念。 2014年2月10日被认为是“玉兔”所在月球虹湾区结束月夜日子,上月25日宣布“啊……我坏掉了”的月球车被数亿网友期待在这天能够重新被“唤醒”。

全面苏醒

“嫦娥三号”结束第二次月夜的日子,玉兔号并未走出睡眠状态,探月工程新闻发言人裴照宇2014年2月12号9点半称玉兔已全面苏醒,但仍存在故障无法移动。

2014年2月23日凌晨,嫦娥三号着陆器再次进入月夜休眠。此前,“玉兔”号月球车于2014年2月22日午后进入“梦乡”。

探月工程副总设计师、中国航天科技集团科技委副主任于登云表示,以前没故障时,“玉兔”可以在月球自由行走,状况就是动弹不了。以前美国发射的火星探测器也出现过动不了的情况。工作人员并没有放弃对故障的分析和排查。以后有可能“玉兔”在某种情况下能恢复正常。因此,“‘玉兔’会不停被唤醒,不停休眠,不停工作,等到完全丧失功能为止。”

带病唤醒

2014年7月嫦娥三号探测器系统副总指挥、副总设计师,上海航天技术研究院张玉花研究员表示,“玉兔”已成功唤醒,但故障仍未排除。

张玉花介绍,“玉兔”号2014年1月开始出现机构控制异常,第二月昼期间“玉兔”号在行进中被石块磕碰“受伤”,随后“带伤”进入在月球上的第二个夜晚。2月中旬,第三月昼来临,科研人员想尽各种措施,呼唤“小兔子”醒来。就在人们觉得希望渺茫的时候,“玉兔”成功唤醒,张玉花称,“它比我们预料的更棒更顽强”。

超期服役

2014年9月4日,中国探月工程总设计师吴伟仁澳门表示,6日“玉兔号”月球车将进入第十个月昼工作期,其4台科学载荷——全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪运行正常。

“而着陆器目前的身体状态也非常好。”吴伟仁说。由中国国家航天局和澳门特区政府联合主办的《九天揽月——中国探月工程展》,4日举行新闻发布会,吴伟仁应邀介绍中国探月工程发展,并向与会媒体透露了当前嫦娥三号任务的最新情况。“月球车出现故障,说明我们对月球环境仍然缺乏了解,比如对月尘的认识非常不足。”吴伟仁说,月尘比我们地球上沙漠里的沙子要细小得多,精密的月球车只要有一点点月尘进入,就有可能造成短路,从而让其移动系统发生故障。除了移动系统外,月球车搭载的四大科学仪器运行正常。“‘玉兔号’的设计寿命是3个月,目前已经工作到第十个月了,算是超期服役。不可否认,它的功能也会随着时间的延长而逐渐衰竭。”

历史上的月球车

月球车,学名“月面巡视探测器”,是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。

世界第一台无人驾驶月球车

1970年11月17日,世界上第一台无人驾驶的月球车由前苏联发射的月球17号携带月球车1号送上月球。在月面“雨海”地区着陆后,它行驶了10.5公里,进行了10个半月的科学探测,考察了8万平方米的月面,直至携带的能源耗尽,于1971年10月4日停止工作。

世界第一台有人驾驶月球车

1971年7月31日,美国“阿波罗15号”登上月球“雨海”地区的第二天,宇航员斯科特和欧文进行了航天史上首次有人驾驶的月球车行驶。两名宇航员驾驶4轮月球车,在崎岖不平的月球表面行驶了27.9公里,收集了77公斤月岩样品,之后返回登月舱。

中国第一台无人驾驶月球车

2013年12月,中国第一个月球着陆器嫦娥三号发射成功,2013年12月15日,嫦娥三号的着陆器与巡视器分离,“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。

未来的月球车

随着科学技术不断发展,人类重返月球的热潮兴起,新一代月球车也将出现。从今天人类的交通工具,可以想象未来月球车的模样――单人乘坐的月球摩托,双座多用途的月球车,客货两用的月球车,月球的拖挂车,月面轨道巴士,等等。乘坐不同的月球车,人类将实现漫游月球的梦想。

玉兔号更多照片

嫦娥三号着陆器与玉兔月球车月面互拍照

玉兔号月球车多角度照片

玉兔号月球车
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最新更新:2015-08-07 11:14
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