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【工业之美】一只“兔子”的月球冒险记

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【工业之美】一只“兔子”的月球冒险记

“月球是目的地,地球是家乡。”兔子的微博简介上这样写着。如今,中国首辆月球车“玉兔号”,在工作了972天后留在了目的地,等着有天被接回家。

图片来源:视觉中国

中国首辆月球车“玉兔号”,在工作了972天后,向我们道了最后一声晚安。

“玉兔号”,即“嫦娥3号”巡视器,与着陆器共同组成“嫦娥3号”探测器。2013年12月2日,中国西昌卫星发射中心成功将“嫦娥3号”探测器送入轨道;12月14日,探测器组合体成功在月面雨海北部地区着陆;12月15日,着陆器与巡视器分离,“玉兔号”顺利驶抵月球表面,开始探测任务。

“嫦娥三号”着陆器,下图为巡视器“玉兔号”,这是它们在月球上共同完成的首次彩色留影。

“嫦娥工程”是中国开展月球科学探测工程的代号,整体工程规划分为“绕、落、回”三期。分别在2007年以及2010年发射的“嫦娥1号”和“嫦娥2号”已完成了第一步“绕月”的探测阶段;“嫦娥3号”则是第二步“落月”阶段的开端。按计划,中国将于2017年左右实施月面取样的返回计划,实现第三步的“返回”。

2016年7月31日,原始设计寿命仅有3个月的月球车“玉兔号”正式停止工作,超期服役逾2年。

“玉兔号”的告别微博

月球车,学名为“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,分为无人驾驶和有人驾驶两种。1970年代,美国和苏联先后向月球发射了月球车。自此之后的42年,人类史上的月球探索一直处于空白状态。

直到2013年,一只中国“兔子”出现了。

奇怪的“兔子”

“玉兔号”驶出“嫦娥三号”着陆器

“玉兔号”整体呈长方形盒状,设计质量为140公斤,长1.5米,宽1米,高1.1米,行进速度200米/时。它由九个分系统组成:移动分系统、结构与机构分系统、制导导航与控制分系统(GNC分系统)、综合电子分系统、电源分系统、热控分系统、遥操作分系统、测控数传分系统、有效载荷分系统。

为反射月球的白昼强光和阻挡高能粒子的辐射,“玉兔号”的周身镀有一层金色的保护膜。它的驱动能源为太阳能,顶部有两片可展开的太阳能帆板;尾部装有一个地月对话通讯天线;右后侧设有导航相机和全景相机,车腹装有可视-近红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪、探月雷达、避障相机、机械臂、激光点阵器等科学探测设备。

“玉兔号”结构图

1.机械臂:负责钻孔、研磨和采样;

2.探月雷达:通过往地下发射电磁波后用雷达接收反射波,可探测月壤下30米的土壤层结构和100米的次表层结构,以发现潜在资源,这是人类探月以来首次在月表直接进行雷达探测任务;

3.粒子激发X射线谱仪(APXS):利用自带放射源产生α粒子和X射线,轰击目标表面以产生X射线荧光,由此计算月壤和月岩表面的化学成分;

4.可视-近红外成像光谱仪:可获取目标表面的可视-近红外光谱,分析其主要矿物组成,由此可测算月表年龄;

5.激光点阵器:这是“玉兔号”用来在光线不足的月球上探路的,它可射出16束激光,在月表投出光斑方阵,避障相机通过观察这些光斑的特点,根据计算结果,判断前面的地形,规划出相对来说最近的一小段路线,由此实现自主导航、自主避障。

能筛沙的“兔子脚”

“玉兔号”的轮子

鉴于月球表面的松软的月壤层以及坑洼不平,相较于容易卡顿的履带和不易控制的机械腿,研制人员为“玉兔号”的移动分系统选择了轮子,采取了主副摇臂加差动机构的悬架设计、“6轮独立驱动,4轮独立转向”的构型方案。

除了基本的前进、后退、转向和制动外,“玉兔号”还具备20度的爬坡和20厘米的越障能力。某一车轮在越过高20厘米的障碍时,“玉兔号”能被动适应月面地形,保证其所有车轮均与月面接触。即使行进间某一车轮被卡住,其他独立驱动的车轮也能帮整个车身脱离。

为使“玉兔号”避免出现打滑、下陷的状况,研制人员为其设计了特别的“兔子脚”。

筛网轮

这种轮子叫“筛网轮”,由轮毂、钛合金编织筛网和耐磨的铝基复合材料棘爪等组成,直径300毫米,宽度150毫米,重量仅735克。这种轮子的制作工艺极其复杂,轮面的筛网由0.6毫米的钛合金丝编织而成,且每个网孔均匀整齐。筛网轮较大的接触面积和摩擦系数可避免“玉兔号”打滑或下陷,能保证其一边移动一边漏沙。此外,筛网轮上的间断性锯齿结构叫做“棘爪”,能极大提高轮子的抓地能力。

一睡就是14天的“懒兔子”

由于月球的自转周期与地球不同,月球上的1天相当于地球上的28天,1个月夜就相当于地球上的14天。此外,月球的昼夜温差非常大,白天可达零上150摄氏度,夜晚可至零下180摄氏度。为抵御恶劣的生存环境,“玉兔号”采取了“日出而作,日入而息”的作息规律,14天工作,14天睡觉。

对于“玉兔号”来说,漫长而寒冷的月夜是最大的挑战。每到月夜,它就采用“包裹式睡眠”,将仪器设备包在太阳能电池帆板中。然而,其多数设备仪器需要温度保持在零下40摄氏度以上,夜晚的太阳能电池帆板无法供暖,因此研制人员在车内装上核电池以保持温度,这也使中国成为第三个将核动力应用于太空探测的国家。等到白天的太阳高度角达到一定程度时,“玉兔号”会自动醒来。

经过极低温度后,月夜唤醒是难题。2014年1月25日,“玉兔号”进入第二次月夜休眠,但受复杂月面环境的影响,内部机构控制出现异常而无法继续移动。在第一次唤醒失败后,于2月12日苏醒,状态趋好。

功成名就的“兔子”的一生

“嫦娥三号”探测器于2013年12月14日在月球雨海盆地成功实现软着陆,使中国成为继美、苏之后,世界上第三个独立实施月球软着陆的国家。

“软着陆”是相对于“硬着陆”而言的,指的航天器经专门减速装置减速后,以一定的速度安全着陆的着陆方式。

那么在这972个工作日里,“玉兔号”究竟在月球上做了哪些实事呢?

获得世界首幅月球剖面图

月壳浅层剖面结构图

据国家国防科技工业局官网7月28日消息,“玉兔号”对着陆区月壤内部与月壳浅层结构进行了2次粒子激发X射线谱分析和4次可视-近红外成像光谱分析,获得了着陆区月壳浅层330米深度内的剖面结构特性及地质演化图,这也是世界上首幅月球地质剖面图。

发现新型的月海玄武岩

粒子激发X射线谱仪和红外成像光谱仪对月表岩石进行分析

据国家国防科技工业局官网7月28日消息,根据“玉兔号”的粒子激发X射线谱仪和红外成像光谱仪探测数据,发现了一种全新的月球玄武岩。

新华社8月5日报道称,据科研人员介绍,“玉兔号”的粒子激发X射线谱仪(APXS)成功实现了对着陆区月球雨海7种主量元素(镁、铝、硅、钙、钛、铁和钾)和4种微量或痕量元素(铬、锶、钇、锆)的高分辨测量。

粒子激发X射线谱仪(APXS)

国内科研机构对粒子激发X射线谱仪(APXS)的科学数据进行反演分析和研究,结果显示“嫦娥3号”着陆区岩石成分属中钛,且富铁高铝,与所有以往月球任务返回的样品成分均有不同。表明“嫦娥3号”着陆区岩石有可能是一种新型的月海玄武岩。

实测月壤厚度

据“玉兔号”研发人员杨蔚、张金海和胡森2015年4月撰文表示,“玉兔号”实测了着陆区的月壤结构和厚度。月壤具有分层结构,其顶部分层厚约0.7米,质地均匀,几乎不含石块,而底界有一定的起伏,平均厚度约5米。

由于月壤是小行星撞击月表岩石形成,地质年龄越大,月壤厚度也越大。“嫦娥3号”着陆区的年龄明显小于其他月海区域,但实测的月壤厚度明显大于其他间接方法估算的2米-4米,说明整个月球的月壤厚度都有可能被低估。由于月壤中含有丰富的氦-3和氢等重要战略资源,这一发现将对这些资源的储量估算产生很大影响。

此外,与“玉兔号”一同登陆的着陆器也同样功绩显赫。截至目前,着陆器上的月基天文望远镜已观测到了23颗星星;极紫外相机成功回望地球的等离子体层,获取了观测照片;初步识别了镁、铝、硅、钾等11种元素。

“嫦娥三号”着陆器地形地貌相机拍摄的360°全景图像

据中国国防科工局消息,“嫦娥三号”月球着陆器已在7月28日按时进入了第33个月夜休眠期,成功刷新了国际探测器在月表工作时间的最长纪录。

最会卖萌的网红“兔子”

“兔子”的微博卖萌照

自2013年12月2日开通官方微博“月球车玉兔”以来,这只“兔子”凭借着第一人称口吻、杀伤力极大的卖萌招数与频繁的网络互动,成功地在两年时间内把自己打造成了一个航空领域的“网红”。截至8月5日上午,“玉兔号”的官博粉丝数61万,那条告别微博获得了4.2万次转发、5.4万次点赞和2.4万条评论。界面新闻记者发现,在“兔子”发布的总计347条微博中,就连2013年12月2日发布的第一条微博也布满了网友今日的热忱感激与思念。

网友评论

“月球是目的地,地球是家乡。”兔子的微博简介上这样写着。如今,这只世界上看过最多星辰的“兔子”留在了目的地,却无法踏上回程,等着有天被接回家。

 

未经正式授权严禁转载本文,侵权必究。

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【工业之美】一只“兔子”的月球冒险记

“月球是目的地,地球是家乡。”兔子的微博简介上这样写着。如今,中国首辆月球车“玉兔号”,在工作了972天后留在了目的地,等着有天被接回家。

图片来源:视觉中国

中国首辆月球车“玉兔号”,在工作了972天后,向我们道了最后一声晚安。

“玉兔号”,即“嫦娥3号”巡视器,与着陆器共同组成“嫦娥3号”探测器。2013年12月2日,中国西昌卫星发射中心成功将“嫦娥3号”探测器送入轨道;12月14日,探测器组合体成功在月面雨海北部地区着陆;12月15日,着陆器与巡视器分离,“玉兔号”顺利驶抵月球表面,开始探测任务。

“嫦娥三号”着陆器,下图为巡视器“玉兔号”,这是它们在月球上共同完成的首次彩色留影。

“嫦娥工程”是中国开展月球科学探测工程的代号,整体工程规划分为“绕、落、回”三期。分别在2007年以及2010年发射的“嫦娥1号”和“嫦娥2号”已完成了第一步“绕月”的探测阶段;“嫦娥3号”则是第二步“落月”阶段的开端。按计划,中国将于2017年左右实施月面取样的返回计划,实现第三步的“返回”。

2016年7月31日,原始设计寿命仅有3个月的月球车“玉兔号”正式停止工作,超期服役逾2年。

“玉兔号”的告别微博

月球车,学名为“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,分为无人驾驶和有人驾驶两种。1970年代,美国和苏联先后向月球发射了月球车。自此之后的42年,人类史上的月球探索一直处于空白状态。

直到2013年,一只中国“兔子”出现了。

奇怪的“兔子”

“玉兔号”驶出“嫦娥三号”着陆器

“玉兔号”整体呈长方形盒状,设计质量为140公斤,长1.5米,宽1米,高1.1米,行进速度200米/时。它由九个分系统组成:移动分系统、结构与机构分系统、制导导航与控制分系统(GNC分系统)、综合电子分系统、电源分系统、热控分系统、遥操作分系统、测控数传分系统、有效载荷分系统。

为反射月球的白昼强光和阻挡高能粒子的辐射,“玉兔号”的周身镀有一层金色的保护膜。它的驱动能源为太阳能,顶部有两片可展开的太阳能帆板;尾部装有一个地月对话通讯天线;右后侧设有导航相机和全景相机,车腹装有可视-近红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪、探月雷达、避障相机、机械臂、激光点阵器等科学探测设备。

“玉兔号”结构图

1.机械臂:负责钻孔、研磨和采样;

2.探月雷达:通过往地下发射电磁波后用雷达接收反射波,可探测月壤下30米的土壤层结构和100米的次表层结构,以发现潜在资源,这是人类探月以来首次在月表直接进行雷达探测任务;

3.粒子激发X射线谱仪(APXS):利用自带放射源产生α粒子和X射线,轰击目标表面以产生X射线荧光,由此计算月壤和月岩表面的化学成分;

4.可视-近红外成像光谱仪:可获取目标表面的可视-近红外光谱,分析其主要矿物组成,由此可测算月表年龄;

5.激光点阵器:这是“玉兔号”用来在光线不足的月球上探路的,它可射出16束激光,在月表投出光斑方阵,避障相机通过观察这些光斑的特点,根据计算结果,判断前面的地形,规划出相对来说最近的一小段路线,由此实现自主导航、自主避障。

能筛沙的“兔子脚”

“玉兔号”的轮子

鉴于月球表面的松软的月壤层以及坑洼不平,相较于容易卡顿的履带和不易控制的机械腿,研制人员为“玉兔号”的移动分系统选择了轮子,采取了主副摇臂加差动机构的悬架设计、“6轮独立驱动,4轮独立转向”的构型方案。

除了基本的前进、后退、转向和制动外,“玉兔号”还具备20度的爬坡和20厘米的越障能力。某一车轮在越过高20厘米的障碍时,“玉兔号”能被动适应月面地形,保证其所有车轮均与月面接触。即使行进间某一车轮被卡住,其他独立驱动的车轮也能帮整个车身脱离。

为使“玉兔号”避免出现打滑、下陷的状况,研制人员为其设计了特别的“兔子脚”。

筛网轮

这种轮子叫“筛网轮”,由轮毂、钛合金编织筛网和耐磨的铝基复合材料棘爪等组成,直径300毫米,宽度150毫米,重量仅735克。这种轮子的制作工艺极其复杂,轮面的筛网由0.6毫米的钛合金丝编织而成,且每个网孔均匀整齐。筛网轮较大的接触面积和摩擦系数可避免“玉兔号”打滑或下陷,能保证其一边移动一边漏沙。此外,筛网轮上的间断性锯齿结构叫做“棘爪”,能极大提高轮子的抓地能力。

一睡就是14天的“懒兔子”

由于月球的自转周期与地球不同,月球上的1天相当于地球上的28天,1个月夜就相当于地球上的14天。此外,月球的昼夜温差非常大,白天可达零上150摄氏度,夜晚可至零下180摄氏度。为抵御恶劣的生存环境,“玉兔号”采取了“日出而作,日入而息”的作息规律,14天工作,14天睡觉。

对于“玉兔号”来说,漫长而寒冷的月夜是最大的挑战。每到月夜,它就采用“包裹式睡眠”,将仪器设备包在太阳能电池帆板中。然而,其多数设备仪器需要温度保持在零下40摄氏度以上,夜晚的太阳能电池帆板无法供暖,因此研制人员在车内装上核电池以保持温度,这也使中国成为第三个将核动力应用于太空探测的国家。等到白天的太阳高度角达到一定程度时,“玉兔号”会自动醒来。

经过极低温度后,月夜唤醒是难题。2014年1月25日,“玉兔号”进入第二次月夜休眠,但受复杂月面环境的影响,内部机构控制出现异常而无法继续移动。在第一次唤醒失败后,于2月12日苏醒,状态趋好。

功成名就的“兔子”的一生

“嫦娥三号”探测器于2013年12月14日在月球雨海盆地成功实现软着陆,使中国成为继美、苏之后,世界上第三个独立实施月球软着陆的国家。

“软着陆”是相对于“硬着陆”而言的,指的航天器经专门减速装置减速后,以一定的速度安全着陆的着陆方式。

那么在这972个工作日里,“玉兔号”究竟在月球上做了哪些实事呢?

获得世界首幅月球剖面图

月壳浅层剖面结构图

据国家国防科技工业局官网7月28日消息,“玉兔号”对着陆区月壤内部与月壳浅层结构进行了2次粒子激发X射线谱分析和4次可视-近红外成像光谱分析,获得了着陆区月壳浅层330米深度内的剖面结构特性及地质演化图,这也是世界上首幅月球地质剖面图。

发现新型的月海玄武岩

粒子激发X射线谱仪和红外成像光谱仪对月表岩石进行分析

据国家国防科技工业局官网7月28日消息,根据“玉兔号”的粒子激发X射线谱仪和红外成像光谱仪探测数据,发现了一种全新的月球玄武岩。

新华社8月5日报道称,据科研人员介绍,“玉兔号”的粒子激发X射线谱仪(APXS)成功实现了对着陆区月球雨海7种主量元素(镁、铝、硅、钙、钛、铁和钾)和4种微量或痕量元素(铬、锶、钇、锆)的高分辨测量。

粒子激发X射线谱仪(APXS)

国内科研机构对粒子激发X射线谱仪(APXS)的科学数据进行反演分析和研究,结果显示“嫦娥3号”着陆区岩石成分属中钛,且富铁高铝,与所有以往月球任务返回的样品成分均有不同。表明“嫦娥3号”着陆区岩石有可能是一种新型的月海玄武岩。

实测月壤厚度

据“玉兔号”研发人员杨蔚、张金海和胡森2015年4月撰文表示,“玉兔号”实测了着陆区的月壤结构和厚度。月壤具有分层结构,其顶部分层厚约0.7米,质地均匀,几乎不含石块,而底界有一定的起伏,平均厚度约5米。

由于月壤是小行星撞击月表岩石形成,地质年龄越大,月壤厚度也越大。“嫦娥3号”着陆区的年龄明显小于其他月海区域,但实测的月壤厚度明显大于其他间接方法估算的2米-4米,说明整个月球的月壤厚度都有可能被低估。由于月壤中含有丰富的氦-3和氢等重要战略资源,这一发现将对这些资源的储量估算产生很大影响。

此外,与“玉兔号”一同登陆的着陆器也同样功绩显赫。截至目前,着陆器上的月基天文望远镜已观测到了23颗星星;极紫外相机成功回望地球的等离子体层,获取了观测照片;初步识别了镁、铝、硅、钾等11种元素。

“嫦娥三号”着陆器地形地貌相机拍摄的360°全景图像

据中国国防科工局消息,“嫦娥三号”月球着陆器已在7月28日按时进入了第33个月夜休眠期,成功刷新了国际探测器在月表工作时间的最长纪录。

最会卖萌的网红“兔子”

“兔子”的微博卖萌照

自2013年12月2日开通官方微博“月球车玉兔”以来,这只“兔子”凭借着第一人称口吻、杀伤力极大的卖萌招数与频繁的网络互动,成功地在两年时间内把自己打造成了一个航空领域的“网红”。截至8月5日上午,“玉兔号”的官博粉丝数61万,那条告别微博获得了4.2万次转发、5.4万次点赞和2.4万条评论。界面新闻记者发现,在“兔子”发布的总计347条微博中,就连2013年12月2日发布的第一条微博也布满了网友今日的热忱感激与思念。

网友评论

“月球是目的地,地球是家乡。”兔子的微博简介上这样写着。如今,这只世界上看过最多星辰的“兔子”留在了目的地,却无法踏上回程,等着有天被接回家。

 

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