直到38萬(wàn)公里外的嫦娥三號(hào)著陸器和玉兔車都“睡”了，地球上的一些中國(guó)人仍有一個(gè)疑問：我們是不是在重復(fù)別人走過(guò)的路？
2013年12月15日4時(shí)，航天史被玉兔號(hào)月球車改寫——她用160秒走出了相當(dāng)于一個(gè)半車體長(zhǎng)的路程，人類自1972年阿波羅17號(hào)登月后，再無(wú)月球車在月面留下足印的記錄就此終結(jié)。
從2004年探月工程立項(xiàng)至今，探月工程二期探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師賈陽(yáng)親歷了10年歷程，從最開始對(duì)月面的認(rèn)識(shí)“只能來(lái)源于美蘇”，到 “選擇美蘇沒去過(guò)的區(qū)域著陸、巡視，增加人類對(duì)月球的認(rèn)識(shí)”。
嫦娥和玉兔都不是對(duì)蘇聯(lián)、美國(guó)探月任務(wù)的簡(jiǎn)單重復(fù)。
一個(gè)直觀的細(xì)節(jié)是，玉兔車上采用的雙目立體視覺技術(shù)、自主導(dǎo)航避障技術(shù)等，41年前還根本不存在。嫦娥三號(hào)巡視器產(chǎn)品保證工程師王芳說(shuō)，“無(wú)論是系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，還是平臺(tái)速度能力，玉兔與2003年發(fā)射的美國(guó)火星探測(cè)器好奇號(hào)和機(jī)遇號(hào)更有可比性，大量新技術(shù)的采用，降低了任務(wù)執(zhí)行的風(fēng)險(xiǎn)，提高了可靠性?！?/p>
相比玉兔號(hào)的遙操作，第一輛月球車的“電視攝像操作”“弱爆了”
當(dāng)玉兔車終于安睡，嫦娥三號(hào)巡視器主管設(shè)計(jì)師彭松松了一口氣，他慶幸玉兔車在尋找休眠點(diǎn)的路上躲過(guò)了重重風(fēng)險(xiǎn)。
彭松負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)規(guī)劃，如果遙操作不慎，就會(huì)影響到全向天線接收地面指令，一旦斷了與地球的通信鏈路，斷了這根隔著38萬(wàn)公里牽著玉兔號(hào)飛的“風(fēng)箏線”，后果不堪設(shè)想。
43年前，當(dāng)人類第一輛月球車蘇聯(lián)“月球車1號(hào)”從“月球17號(hào)”探測(cè)器轉(zhuǎn)移到月面時(shí)，也有一條窄束天線背在它的身上。相比之下，這條天線對(duì)全無(wú)自主導(dǎo)航能力的“月球車1號(hào)”來(lái)說(shuō)，顯得更為致命。
探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁告訴中國(guó)青年報(bào)記者，蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)對(duì)月球車采取的“電視攝像操作”方式今天看來(lái)是十分原始的：蘇聯(lián)專門組織了一個(gè)飛行員梯隊(duì)，5個(gè)人一組，輪班倒，每個(gè)人每天“開”8小時(shí)，而這些飛行員判斷行駛的依據(jù)，就是月球車通過(guò)天線傳下來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)攝像。
對(duì)于這種手動(dòng)駕駛方式，嫦娥三號(hào)巡視器遙操作副主任設(shè)計(jì)師吳克告訴記者，駕駛員對(duì)環(huán)境的認(rèn)知難以精確判斷，如果前路有坑，什么時(shí)候避開坑，只能靠駕駛員估算，精度自然低。
相比之下，玉兔號(hào)的“遙操作”比蘇聯(lián)的方法更為精密周全，吳克告訴記者，其任務(wù)規(guī)劃分三個(gè)層次進(jìn)行。
首先是戰(zhàn)略層次的任務(wù)規(guī)劃：依據(jù)全景相機(jī)拍攝30米內(nèi)圖像，任務(wù)支持中心跟地面應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)家協(xié)商，科學(xué)家提出他們想去圖中哪些點(diǎn)，巡視器團(tuán)隊(duì)從工程角度上判斷哪些點(diǎn)不能去，然后把科學(xué)家感興趣的探測(cè)目標(biāo)串起來(lái)，形成軌跡。
其次是戰(zhàn)役層次的周期規(guī)劃：對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)定位，將30米的軌跡分割成約7米一段。
最后是戰(zhàn)術(shù)層次的導(dǎo)航規(guī)劃：利用導(dǎo)航相機(jī)將要走的約7米路段進(jìn)行拍攝，規(guī)劃出行駛路線。剩下的，就交給數(shù)字仿真系統(tǒng)去驗(yàn)證。
當(dāng)然，無(wú)論是月球車一號(hào)還是玉兔號(hào)，都有一段無(wú)法回避的斷線期。一旦月球車進(jìn)入休眠，其與地面的聯(lián)系也隨之中斷。
蘇醒與否，部分取決于月塵這顆定時(shí)炸彈。
嫦娥三號(hào)巡視器綜合測(cè)試指揮權(quán)爽告訴記者，帶靜電的月塵，一旦被玉兔車吸附，很難清除，由此可能引發(fā)很多故障，如機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死、密封機(jī)構(gòu)失效、光學(xué)系統(tǒng)靈敏度下降等。
蘇聯(lián)的月球車2號(hào)就吃過(guò)這方面的虧。1973年1月，開到一個(gè)撞擊坑后，疏松的月壤使月球車2號(hào)輪子空轉(zhuǎn)，騰起的浮土覆蓋了其太陽(yáng)能電池板和散熱器，導(dǎo)致月球車2號(hào)供電驟減、車內(nèi)過(guò)熱，犧牲在月面。
極端溫度是月球車不得不面對(duì)的挑戰(zhàn)。吳偉仁說(shuō)，玉兔車向著太陽(yáng)這邊的3個(gè)輪子，照射的溫度最高達(dá)100多攝氏度，另3個(gè)被遮住的輪子，已是零下10多攝氏度，一米多一點(diǎn)的間距，溫差卻極大，而這早已在玉兔車設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了，縱使“冰火二重天”，玉兔也能安然無(wú)恙。
“嫦娥”、 “玉兔”集成了代表當(dāng)今世界科技水平的新技術(shù)
嫦娥三號(hào)任務(wù)宣布成功次日，吳偉仁告訴中國(guó)青年報(bào)記者：“嫦娥三號(hào)，我們是按照最好的結(jié)果去努力，也做了最壞的準(zhǔn)備，整個(gè)過(guò)程光故障預(yù)案就做了200多個(gè)，但到現(xiàn)在一個(gè)都沒有用上?！?/p>
這和整個(gè)科技發(fā)展不無(wú)關(guān)系。值得一提的是，中國(guó)空間技術(shù)研究院任務(wù)支持中心在嫦娥三號(hào)任務(wù)中首次采用的數(shù)字仿真系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，而這是美蘇探月行動(dòng)中所不具備的。
吳克告訴記者，這是中國(guó)航天史首次實(shí)現(xiàn)伴飛功能，其能把月面的遙測(cè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，預(yù)示車在月面走有沒有風(fēng)險(xiǎn)。比如，遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巡視器某設(shè)備溫度升高，地面仿真系統(tǒng)溫度也跟著升高，“仿真系統(tǒng)伴飛功能有預(yù)示能力，它預(yù)測(cè)到隨著溫度越來(lái)越高，設(shè)備有崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，就能提前讓巡視器不干后面的事?！?/p>
“我們憑什么有信心？”吳克說(shuō)，就是因?yàn)樗幸?guī)劃出來(lái)的指令，都在仿真系統(tǒng)走了一遍，把正確的概率又提高了。假使沒有這個(gè)程序，只能通過(guò)人員判斷，那就存在人員誤判漏判的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，圍繞探月的技術(shù)發(fā)展還有，微小型化技術(shù)的發(fā)展、自主控制和智能技術(shù)的提高、新型傳感器技術(shù)的問世，等等。
2013年12月14日，嫦娥三號(hào)在動(dòng)力下降段成功避開了一個(gè)大坑，這個(gè)大坑位于著陸點(diǎn)東北方17米處，直徑20米、深達(dá)2～3米。在吳偉仁看來(lái)，這得歸功于激光測(cè)距技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的自主避障功能。
當(dāng)年還停留在“微波”時(shí)代的美國(guó)、蘇聯(lián)自然沒有這個(gè)技術(shù)。
阿波羅計(jì)劃利用航天員在著陸過(guò)程中進(jìn)行地形識(shí)別，僅僅通過(guò)航天員簡(jiǎn)單的鳥瞰，來(lái)發(fā)現(xiàn)和控制躲避月面障礙物，從危險(xiǎn)區(qū)中識(shí)別出安全的著陸點(diǎn)。
嫦娥三號(hào)著陸器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張熇稱之為“盲降”，她告訴中國(guó)青年報(bào)記者，“設(shè)計(jì)好了這條軌道就落下去，下面有坑、有石塊可能會(huì)翻倒。”
“蘇聯(lián)、美國(guó)的月球車畢竟使用的都是40年多前的技術(shù)，‘玉兔’集成了代表當(dāng)今世界科技水平的新技術(shù)：用超大規(guī)模集成電路代替了當(dāng)年的晶體管，采用無(wú)刷電機(jī)技術(shù)解決了有刷電機(jī)壽命有限的問題。車載的有效載荷，無(wú)論是探測(cè)的手段，還是探測(cè)的精度都已有了質(zhì)的變化?！睓?quán)爽說(shuō)。
沒有更多的國(guó)外參考，只好再造一個(gè)月球
“月球的塵埃中，夾雜著類似木炭或火藥的氣味。當(dāng)然，我們聞不到所取樣品有這樣的氣味，因?yàn)樗鼈儽幻芊庠诤凶永铩５┞队谂搩?nèi)的氧氣中時(shí)，我們可以嗅到航天服上粘著的塵埃那濃重的燒焦味?！卑⒉_11號(hào)航天員巴茲·奧爾德林這么形容自己在月球上聞到的味道。
此前，中國(guó)航天人能拿到的月面數(shù)據(jù)大多只能來(lái)自于美國(guó)等國(guó)的公開資料，“真實(shí)情況，別人說(shuō)不定會(huì)藏著掖著?！蓖醴颊f(shuō)。所以當(dāng)看到玉兔車在月面留下的第一道輪印時(shí)，以前一直以為月壤“特別松軟”的她發(fā)現(xiàn)，車轍沒想象中的深，這意味著月壤是比較硬的。
沒有更多的國(guó)外參考，中國(guó)人只好再造一個(gè)月球。
“航天器一旦打到天上，出了問題，總不能再派人去修吧？”嫦娥三號(hào)巡視器綜合測(cè)試指揮王少林說(shuō)。這要求航天器具有高可靠性，而這依賴于充分的地面驗(yàn)證。
經(jīng)過(guò)1.8萬(wàn)公里的選址，巡視器團(tuán)隊(duì)選定了敦煌西北、庫(kù)姆塔格沙漠與羅布泊交界處的阿克奇谷地，“這里是中國(guó)最像月球的地方”。在這里，玉兔車曾連跑十幾天，進(jìn)行過(guò)公里級(jí)的“長(zhǎng)途拉練”。
沙漠里，一輛大卡車跟在徐徐前移的玉兔車后，一條電纜連著兩輛車，為太陽(yáng)翼沒有帶電池片的玉兔車提供能源。
伴著轟隆的發(fā)電機(jī)，嫦娥三號(hào)巡視器綜合測(cè)試指揮權(quán)爽、王少林和其他同事擠在卡車車廂內(nèi)，膝蓋對(duì)著膝蓋，空間窄得連站都站不起來(lái)，這一擠就是十幾個(gè)小時(shí)。在這樣艱苦的條件下，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)巡視器的首次遙操作。
進(jìn)行整車月球低重力試驗(yàn)是嫦娥三號(hào)的重大難題之一，巡視器團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出利用單吊索方式，模擬玉兔車月面輪壓的測(cè)試方法。在巡視器室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)，負(fù)責(zé)視覺定位的遙操作主管設(shè)計(jì)師溫博向記者介紹懸掛著的一個(gè)吊索，它曾把占玉兔車質(zhì)量5/6的部分吊離地面，讓玉兔車只用承受1/6重力。一旦承重多了，就會(huì)超出車輪的承受能力。
2013年12月15日，看到玉兔車走出在月球上的第一步時(shí)，這個(gè)30歲的女航天人笑了。
28歲的嫦娥三號(hào)巡視器總體主管設(shè)計(jì)師王昊宇，29歲的主管設(shè)計(jì)師薛博，還有30歲的王少林，30歲的吳克，32歲的權(quán)爽，32歲的王芳。賈陽(yáng)說(shuō)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)每個(gè)人都在干“以前沒干過(guò)的事”，正是這支新鮮的團(tuán)隊(duì)，鍛造了中國(guó)的第一次落月。本報(bào)記者 鄭宇鈞 邱晨輝
