嫦娥四号上的“上海基因”

来源：上海航天|    日期：2018-12-10

      12月8日2时23分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器，开启了月球探测的新旅程。

据中国航天科技集团有限公司八院嫦娥四号副总指挥兼副总设计师张玉花介绍，嫦娥四号是我国探月工程二期嫦娥三号的备份，结合任务特点，对部分产品和性能进行了改进，探测器将在月球背面选定区域实施软着陆，实现人类首次月背软着陆和巡视勘察，实现首次地月L2点中继星对地对月的测控、数传中继,并开展低频射电天文观测与研究、着陆区地质特征探测与研究等。

      嫦娥四号探测器包括两器一星，即月球软着陆探测器(着陆器)、月面巡视探测器(巡视器)、“鹊桥”中继卫星。八院承担了嫦娥四号着陆器、巡视器五个半分系统的研制任务，我所承担了电源分系统、着陆器一次电源分系统等任务。

      着陆艾特肯盆地，应对多重困难挑战

      嫦娥四号首选着陆区为月球南极-艾特肯盆地。“与嫦娥三号的虹湾着陆区相比，虹湾的整体趋势较为平坦，但艾特肯盆地的地形就比较崎岖，撞击坑大而且分布密集,这就对探测器着陆区的选择和着陆精度提出了很高的要求。”据张玉花介绍，“由于着陆区在月球背面，使得着陆器和巡视器无法同地球直接通信，必须用中继星中继的方式；同时在动力下降过程中，着陆器也不能对地直接通信，只能通过中继星进行上下行操作，这些都是此次任务的难点。”

      此外，巡视器还要面对月球表面昼夜温差变化大、低重力环境以及细小微尘的污染等问题。“比如，月球的重力只有地球的1/6，我们要针对这种低重力环境，对巡视器的移动速度、距离、越障能力等状态和参数进行充分的地面力学分析和验证，并结合月面散落的陨石和撞击坑的状态，使其具有一定的障碍识别和自主避障能力，保证它的通过性、机动性以及地形适应性。”据悉，在整个任务过程中，设计团队为巡视器定义了感知、移动、探测、充电、安全、月昼转月夜、休眠、月夜转月昼多种工作模式，以应对不同工作环境、适应不同工作状态的要求。

      多器联动，搭好星际沟通桥梁

      月球的一面永远对着地球，而另一面永远背对着地球。嫦娥四号任务与嫦娥三号任务首要的不同就是探测器降落落点由月球正面改为了月球背面，使得探测器与地球的直接通讯信号受到月球遮挡，必须通过“鹊桥”中继星进行信号中转。2018年5月21日，八院研制的长征四号丙运载火箭成功将“鹊桥”中继星送入地月转移轨道，卫星随后进入环绕地月L2点的使命轨道，为后续着陆器、巡视器与地面站之间的测控和数据传输提供中继服务，而随之带来的是地球与巡视器间的通讯时延大大增长。

      测控数传分系统有测控和数传两个功能，常常将测控比喻成风筝线，航天器就是大风筝。测控就是完成地面站对航天器的跟踪，将遥控指令发给航天器，同时航天器将自己的状态发给地面站。数传就是把航天器上的科学数据传给地面站，数据量一般较大，比如传图像、视频等，无论是测控还是数传，一般都需要地球上地面站的支持。

      我们在地球上想给巡视器发出的指令时，先发给中继星，中继星再通过测控数传分系统发给巡视器。例如：如果需要让巡视器往前移动，我们先告诉中继星，中继星通过测控数传分系统告诉巡视器，巡视器收到指令后就会按指令操作。同样，地球上要知道巡视器的状态遥测或数据时，也可反方向进行。比如，巡视器和着陆器分离后，巡视器会给着陆器进行拍照，通过测控数传分系统，把照片传给中继星，中继星再传回地球，这样我们在屏幕上就能看到着陆器照片。总之，巡视器测控数传分系统在这个过程中承担着巡视器和中继星之间的数据来往。

      不同于嫦娥三号任务时科研人员可以在监控屏前实时观察到巡视器对指令的执行状况，此次从指令发出到行动图像传回至少有数分钟的延迟，对于巡视器的移动和机构活动有较明显的影响。为此，设计人员计算并设定了巡视器每项行动的最大耗时，连同每次行动指令一同发送，同时赋予巡视器一定的自主功能，以便有效应对可能的突发状况。

      与嫦娥三号巡视器相比，嫦娥四号巡视器测控数传分系统不仅要承担与着陆器的数据通信的功能，还要与中继星进行遥测和数据传输。“测控数传分系统有5种工作模式，我们在设计中充分考虑了冗余设计，使得各设备形成热备份。大大提高了系统的可靠性。”804所测控分系统主任设计师汪莹介绍。

      嫦娥四号测控数传工作模式改变之后，对于巡视器测控数传分系统带来新的技术挑战。对嫦娥四号巡视器来说，中继星就相当于嫦娥三号时的地面站作用。中继星虽然功能很强大，但毕竟有体积、重量等因素限制，功能没有真正的地面站那么强大，需要巡视器测控数传分系统的部分指标有所提高。例如跟踪灵敏度，比原指标提高一倍。就好比两个人在聊天，“我”是中继星，“你”是巡视器测控数传分系统。如果“我”说话声音小了，需要“你”的耳朵更加灵敏才能听清。为了圆满完成我国首次在深空探测领域用中继星实现航天器测控数传，团队进行充分的论证，对产品潜力进行充分挖掘，多次进行了与中继星的对接测试，两器一星联试的试验，最终实现了“耳朵更灵”的要求。

      休眠唤醒，做最可靠能量供给站

      一个月夜相当于地球上14天。同时，月夜最低温度可达到零下180度。在没有光照的漫长黑夜里，对于依靠太阳能提供能量的嫦娥四号着陆器和巡视器来说，如何依靠自身存储的能量安全度过月夜将是一个很大的挑战。

      面对这一难题，研制人员提出了休眠唤醒的概念。当太阳缓慢地升起时，着陆器和巡视器将开始忙碌的十四天工作——着陆器在原地实施科学探测，巡视器则“东奔西走”开始探测。当月夜降临时，巡视器会为自己找好栖身之所，收起桅杆，合上太阳翼，开始休眠。一直到太阳照射到月球车太阳翼的电池片上，唤醒“沉睡”的巡视器和着陆器，开启又一次勘测。

      “嫦娥四号采用了目前国内最先进的高效三结砷化镓太阳电池，光电转换效率从原先的28.6%提升到30.84%。”811所探月工程太阳电池电路负责人陈城介绍道。新的电池在光电转换效率、输出电压、输出电流、抗辐照能力、旁路二极管压降及重量等技术指标上均优于原电池，其可靠性也已通过多个型号的在轨及地面考核验证。“而且，新电池降低了太阳电池片的厚度，为太阳电池‘减重’了10%，功率裕度则由原先的6%增大到了9%。”

      多重准备，适应月背严苛环境

      月球背面长期受到陨石的冲击，存在较正面月表环境更严苛，巡视器行进过程中可能面对更多挑战。为此团队在嫦娥三号的基础上对巡视器移动能力进行了进一步加强，特别是在应对意外状况方面，开展了多项系统试验，并把每一个试验变化分解成多个环节，逐一开展详细验证。对如石块落入车轮内部、驱动机构频繁启停、以及巡视器极限移动能力等状况均进行了逐一测试，并形成了应对方案。

      要知道月面巡视器要从地球“飞越”约38万公里到达月球，负担自然是越轻越好，因此探测器的每个部分都有严格的重量要求。在这样的前提下，团队通过严苛的筛选和试验，最终在仅增加50克重量的有限措施下，完成了电缆防拉脱力从22N提升到48N，整整将相应指标提高了一倍多，同时加强了电缆的耐磨性和驱动控制模块设计冗余，有力的支撑了嫦娥四号巡视器征战月球背面之行。

      分类应对，破解备份贮存难题

      产品贮存时间长，是团队在研制嫦娥四号时没法绕开的问题。研制团队将电源分系统等产品经过验证后使用，而移动机构、桅杆机构、太阳翼基板等产品几乎与嫦娥三号同步生产，到嫦娥四号计划发射的2018年，已经整整过去5年，超出了原有贮存期。

      到底是沿用原来的产品，还是重新投产，团队决定用数据说话。由于，先前并没有基板复合材料地面贮存这么长时间的先例，如何验证，一开始就让大家一头雾水，但团队集思广益、头脑风暴，从贮存环境、机理分析、同状态类似地面贮存产品试验验证、其他型号技术调研等方面着手，结合嫦娥四号本身产品的热试验、力学试验、展开试验等性能测试、验证，确认已投产的嫦娥四号太阳翼基板经过地面贮存5年，其性能能够满足嫦娥四号任务需要，可以直接沿用。最终，按照机构产品重新研制确保产品性能可靠；结构产品经复测性能符合要求继续使用并按要求进行环境试验的方式，最大程度的兼顾了研制进度和产品质量。

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